CC BY
121
:joi 40 120 100 80 60 40
Л ^ - / 1
и
/
П У 2
0 20 40 60 80
С
Рис. 7. Процессы нагрева при разгоне с устройством плавного пуска за 40с при номинальном моменте сопротивления
^080 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -
0 20 40 60 80
С
Рис. 8. Процессы нагрева при 10с работы в режиме короткого замыкания с последующим разгоном при номинальном моменте сопротивления
с- .Л
/ 1
и
0 / N
/ \
П 2
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Федоров М. М. Динамические тепловые модели узлов электрических машин // Електромашинобудування та електрообладнання: Мiжвiд. наук.-техн. зб.- 1999. Вип. 53. С. 70-73.
2. Сипайлов Г. А., Санников Д. И., Жадан В. А. Тепловые гидравлические и аэродинамические расчеты в электрических машинах - М.: Высш. шк., 1989. - 239 с.
УДК 62-83:621.74
Сарваров А.С., Пермякова О.В. (Магнитогорский государственный технический университет им.Г.И.Носова)
ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ.
НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
В настоящее время частотно-регулируемому электроприводу переменного тока уделяется большое внимание. Это происходит в связи с тем, что асинхронный двигатель является надежным и простым по конструкции элементом автоматизированного электропривода, способ частотного регулирования скорости является наилучшим по основным показателям регулирования, а также в связи с тем, что появились быстродействующие микропроцессорные устройства и надежные источники питания и преобразователи частоты.
Для обеспечения высоких динамических и статических показателей по равномерности частоты вращения и вращающего момента, для создания высокого вращающего момента на малых и близких к нулевым частотах вращения применяются методы векторного управления
[1]. В этом случае для описания динамических процессов используют векторы, ориентированные в электрическом пространстве. При этом необходимо рассматривать все три фазы трехфазной машины.
При составлении уравнений для АД принимают следующие допущения [3, 10]:
• Пренебрегается потерями в стали, т.е. явлениями гистерезиса и вихревыми токами;
• Не учитывается насыщение магнитопровода;
• Пренебрегается неравномерностью воздушного зазора между телом ротора и статора и изменением магнитной проводимости, обусловленной наличием пазов при относительном перемещении сердечников; величина воздушного зазора постоянна;
• Пренебрегаем высшими пространственными гармониками магнитного поля, т.е. распределение магнитного поля каждой из обмоток (магнитодвижущие силы обмоток) вдоль окружности ротора и статора принято синусоидальным;
• Считаем, что статор и ротор имеют симметричные трехфазные обмотки. Обмотка ротора приведена к числу витков обмотки статора, т.е. число витков обмотки ротора и статора одинаково. Анализ статических и динамических процессов в АД при использовании пространственных векторов проводится в различных системах координат. Может быть три варианта [1]: система связана с трехфазной статорной обмоткой, система связана с роторной обмоткой, система ориентирована произвольно относительно указанных координат. Обычно третью систему рассматривают в виде вращающейся с синхронной угловой скоростью, равной угловой частоте напряжения питания. Выбор системы координат является одной из основных задач, возникающих при построении модели асинхронного электропривода, в которой рассматриваются электромагнитные процессы в двигателе. Очевидно, что выбор той или иной системы координатных осей не влияет на реальные физические процессы, а является лишь способом их описания.
Координатные преобразования позволяют упростить уравнения электромагнитных процессов машины за счет устранения гармонических коэффициентов в параметрах, коэффициентов, связанных с неортогональностью магнитных осей фазных обмоток, за счет разделения процессов на симметричные составляющие ненулевой и нулевой последовательности фаз [10].
АД как объект управления весьма сложен. Он является многоканальным объектом перекрестными связями между каналами и с нели-нейностями вида произведения нескольких переменных.
При построении модели привода необходимо учесть выражение для электромагнитного момента двигателя, которое представляет собой векторное произведение пары пространственных векторов токов и потокосцеплений. Выбор того или иного уравнения для электромагнитного момента осуществляется из условия рационального построения структурной схемы математической модели.
При построении модели в системе координат, ориентированной по вектору потокосцепления ротора [1, 3], получают уравнения, которые позволяют построить двухканальную систему регулирования с независимым управлением потокосцеплением ротора и электромагнитным моментом двигателя. Каждый из каналов строится по принципу подчиненного регулирования.
В структурной схеме АД, составленной по математическому описанию его в пространственных векторах при ориентации оси вещественных вращающейся системы координат вектору потокосцепления ротора, все переменные представлены сигналами постоянного тока [1]. В структуре АД существуют перекрестные связи между каналом формирования потокосцепления ротора и каналом формирования электромагнитного момента. Если скомпенсировать влияние перекрестных связей, то окажется, что сигналом по оси вещественных а независимо
задается потокосцепление ротора, сигналом по мнимой оси ß- электромагнитный момент при данном значении у/2.
Таким образом, структура АД оказывается практически такой же, как структура двигателя постоянного тока независимого возбуждения, соответственно замкнутые системы регулирования строятся аналогично системам с двигателями постоянного тока. В системах с векторным управлением возможна также реализация двухзонного регулирования скорости асинхронного двигателя.
Одним из лидеров в данной области являются специалисты фирмы Siemens (Германия). Созданные ими системы управления SIMOVERT MASTERDRIVES Vector Control обеспечивают высокие статические и динамические показатели работы электроприводов переменного тока с асинхронными двигателями. Однако, таким электроприводам свойственны и определенные недостатки: жесткие требования к идентификации параметров двигателя и зависимость от их изменения, а также высокая стоимость управляющей системы с требуемой высокой вычислительной мощностью. Это связано с выполнением сложных расчетов в реальном времени с минимальным запаздыванием: векторных преобразований, идентификации параметров объекта регулирования, оценки мгновенных электромагнитных переменных, расчета адаптивных элементов системы управления.
Для уменьшения указанных недостатков рядом исследователей предлагается использование принципов прямого регулирования момента (DTC). Основы данного способа регулирования были изложены японскими исследователями ТАКАХАШИ и Ногучи в 1986 г., однако получили практическую реализацию в середине 90-х годов. Примером промышленного применения являются электроприводы фирмы АВВ (Швеция), которые обеспечивают отработку скачка задания момента за время 1-2мс и точное регулирование момента при низких частотах, включая и нулевую скорость. Точность поддержания скорости в этих системах равна 10% скольжения АД без использования датчика скоро-
сти, и равна 0.01% с использованием датчика скорости [5]. Наиболее сложной задачей для таких систем является получение текущих значений потокосцепления, момента и частоты вращения ротора при отсутствии датчиков на валу двигателя. Задача может быть решена путем разработки адаптивного наблюдателя потокосцепления, момента и скорости для системы Задача может быть решена путем разработки адаптивного наблюдателя потокосцепления, момента и скорости для системы DTC. Один из вариантов разработки такого наблюдателя и результаты исследования приведены в статье [6].
Основным недостатком систем с DTC является то, что удовлетворительное качество переходных процессов получается только в том случае, если погрешность оценки сопротивления ротора не превышает 5%. При погрешности 10% и более система теряет работоспособность.
Базовым принципом при регулировании момента двигателя переменного тока является оценка потокосцепления рассеяния статора на основании минимальных сведений об электрической машине и доступных для измерения электрических переменных привода.
Аналитический расчет параметров регуляторов в системе векторного управления АД носит весьма приблизительный характер и нуждается в уточнении [3]. Изменение параметров электропривода в процессе эксплуатации может привести к тому, что вращающаяся система координат будет ориентирована по направлению вектора потокосцепления со значительной ошибкой. Известно, что угловое рассогласование более, чем в 5 эл.град. приводит к потере работоспособности системы векторного управления электроприводом [4]. Наиболее сильное влияние на работоспособность электропривода оказывает температурное изменение активного сопротивления роторной обмотки. Рассмотрен способ компенсации температурного изменения параметров асинхронного двигателя.
Для моделирования процессов в АД в настоящее время широко используется система моделирования Simulink, встроенная в пакет инженерных и научных расчетов MatLAB.
Математическая модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя с учетом потерь в стали, насыщения и поверхностного эффекта в проводниках ротора рассмотрена в литературе [11].
Важность учета потерь в стали определяется существенным вкладом этих потерь в суммарные потери машины. Так, для АД серии 4А потери в стали могут составлять более 20% от полных потерь номинального режима и более 50% от полных потерь холостого хода. Потери в стали оказывают влияние также на величину и взаимную ориентацию обобщенных векторов электромагнитных переменных АД в статических и динамических режимах работы.
Явление вытеснения тока в стержнях обмотки ротора оказывает существенное влияние на разгон АД. Во время пуска в стержнях ротора возникают значительные вихревые токи, которые изменяют распределение плотности тока по сечению стержня ротора. В результате актив-
ное сопротивление увеличивается, а индуктивное - уменьшается, что влияет на динамические характеристики АД.
При номинальной нагрузке и номинальном потоке работа АД происходит на нелинейном участке кривой намагничивания машины и поэтому следует учитывать изменение индуктивности из-за насыщения машины. Индуктивности рассеяния статора и ротора мало зависят от насыщения машины, так как их поля замыкаются по воздуху. Следует рассматривать влияние насыщения только на изменение индуктивности цепи намагничивания.
В технической литературе отмечается большое влияние высших гармоник магнитного поля в воздушном зазоре на процессы в реальной электрической машине. Они могут быть вызваны как конструктивными особенностями, так и внешними воздействиями, которым является, например, несинусоидальное питающее напряжение в случае использования инвертора с ШИМ.
В рабочих режимах привода с двигателями 4А индуктивность намагничивания может изменяться до 30%, т.е. эффект насыщения цепи намагничивания может существенно сказываться на изменении параметров АД. В то же время регулирование потокосцепления в некоторых случаях необходимо. В асинхронном электроприводе регулирование потокосцепления требуется в следующих режимах:
1. При работе привода на скоростях, превышающих номинальную (в зоне регулирования с постоянной мощностью), происходит ослабление поля.
2. При оптимизации энергетических характеристик привода требуется регулирование потока намагничивания в зависимости от нагрузки.
3. При оптимизации динамических характеристик привода, в частности быстродействия процессов «в большом», также требуется регулирование потокосцепления.
Для учета насыщения обычно используют простой метод статических индуктивностей, в котором нелинейность цепи намагничивания учитывается статической зависимостью между потокосцеплением и током намагничивания, задаваемой таблично или с помощью аналитической аппроксимации.
Метод учета потерь в стали для исследования динамических процессов в частотно-управляемом электроприводе основан на разделении составляющих потерь на потери от гистерезиса и потери от вихревых токов. Это позволяет описать потери в стали с помощью введения в динамическую модель двигателя двух постоянных коэффициентов: коэффициента потерь от вихревых оков и коэффициента потерь от гистерезиса.
Явление вытеснения тока в стержнях ротора может быть учтено в виде статической зависимости активного сопротивления ротора от частоты.
ВЫВОДЫ
С использованием физических и математических моделей частотно-регулируемого электропривода с системой регулирования момента,
скорости и потока АД необходима качественная и количественная оценка степени влияния формы кривой намагничивания стали АД, изменений активного сопротивления роторной цепи в процессе работы АД, потерь в стали на статические и динамические свойства частотно-регулируемого электропривода и на его энергетические показатели.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием -М.: Издательский центр «Академия» , 2007. - 272 с.
2. Терехов В.М. Системы управления электроприводов : Учебник для вузов/ В.М.Терехов, О.И.Осипов; под ред. В.М.Терехова - М.: Издательский центр «Академия», 2006. - 304 с.
3. Козярук А.Е., Рудаков В.В. Современное и перспективное алгоритмическое обеспечение частотно-регулируемых электроприводов Санкт-Петербург, Санкт-Петербургская Электротехническая компания, 2004, 127с.
4. Дартау В.А., Рудаков В.В., Козярук А.Е. и др. Теоретические основы построения частотных электроприводов с векторным управлением / Автоматизированный электропривод - М.: Энергия, 1980
5. Доцковский Л.Х., Роговой В.И. и др. Современное состояние и тенденции в асинхронном частотно-регулируемом электроприводе (краткий аналитический обзор) / Электротехника. 1996 г. №10
6. Браславский И.Я., Ишматов З.Ш., Барац Е.И. Адаптивная система прямого управления моментов асинхронного двигателя. - «Электротехника». 2001. №11
7. Алексеев В.В., Козярук А.Е., Загривный З.А. Электрические машины. Моделирование электрических машин приводов горного оборудования. Учебное пособие. Санкт-Петербургский государственный горный институт (технический университет). СПб., 20906. 58 с.
8. Старокожев А.И., Шиянов А.И. Моделирование асинхронного электропривода с прямым управлением моментом. «Электротехнические комплексы и системы управления» №1, 2006
9. Виноградов А.Б. Учет потерь в стали, насыщения и поверхностного эффекта при моделировании динамических процессов частотно-регулируемом электроприводе. Электротехника, №5, 2005, с. 57-61.
10. Виноградов А.Б. Векторное управление электроприводами переменного тока / ГОУ ВПО «Ивановский государственный энергетический университет им. В.И.Ленина». - Иваново, 2008. - 298 с.
11. Мощинский Ю.А., к.т.н. доц.; Аунг Вин Тут, асп. Обобщенная математическая модель частотно-регулируемого асинхронного двигателя в осях а, Ь,с, ( с учетом потери в стали.
12. Браславский И.Я. Энергосберегающий асинхронный электропривод : Учебное пособие для вузов / И.Я.Браславский, З.Ш.Ишматов, В.Н.Поляков; Под ред. И.Я.Браславского - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 256 с.
