Системы управление ЭИМ переменного тока

В регулируемых электроприводах переменного тока для управления ИМ используют преимущественно асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором (АДКР), а также синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ) и вентильные двигатели (бесколлекторные двигатели постоянного тока – БДПТ).

При этом применяются различные способы регулирования скорости электродвигателей путем изменения напряжения статора, частоты и напряжении статора, частоты и тока статора и др. Используется значительно большее число контролируемых координат, нежели в электроприводах постоянного тока, и, соответственно, множество силовых преобразовательных устройств, различающихся и конструктивными решениями, и способами управления. Все эти обстоятельства затрудняют формирование общих подходов к синтезу СУИМ переменного тока. Ниже рассмотрены лишь основные способы управления наиболее распространенными в промышленности АДКР и принципы построения систем управления ИМ на их основе.

При фазовом управлении тиристорами (симисторами) силового преобразователя, питающего статорную обмотку АДКР изменяется, по сути, средневыпрямленное напряжение полуволн питающей сети при постоянстве частоты питающей сети. Отсюда недостатки такого способа регулирования:

1. снижение критического электромагнитного момента АД при уменьшении напряжения статора , причем в квадратичной зависимости:

, (7.1)

где , (7.2)

E ₁ – э.д.с. асинхронной машины,

– число витков обмотки статора,

– магнитный поток,

– частота напряжения статора,

– угловая скорость вращения поля статора;

2. малый диапазон регулирования скорости в силу значительного снижения электромагнитного момента на малых скоростях;

3. увеличение потерь в АД, поскольку помимо первой гармоники напряжение питания статора содержит высшие гармонические составляющие.

Указанные недостатки ограничивают область применения СУИМ с фазовым управлением – только для регулирования скорости маломощных АД, либо в качестве устройств плавного пуска.

При частотном управлении АД одновременно с изменением напряжения статора изменяют и его частоту. Как следует из (7.2) при уменьшении частоты питающего напряжения необходимо одновременно уменьшать и напряжение статора, чтобы избежать насыщения магнитной цепи при увеличении магнитного потока . И, наоборот, при уменьшении напряжение статора необходимо одновременно уменьшать и частоту питающего напряжения, чтобы исключить существенное снижение потока магнитного потока , и, тем самым, снижение электромагнитного потока. В связи с этим различают несколько способов (законов) частотного управления:

1. пропорциональное управление (закон Костенко) при обеспечении

; (7.3)

2. управление с постоянным максимально допустимым моментом нагрузки или магнитным потоком (с - компенсацией падения напряжения в обмотках статора) при

; (7.4)

3. квадратичное управление (управление с постоянной мощностью АД) при

или . (7.5)

Закон пропорционального управления (7.3) целесообразен при вентиляторном характере нагрузки ИМ (насосы, вентиляторы, дымососы, компрессоры), закон с - компенсацией (7.4) – при постоянстве момента нагрузки (грузоподъемные ИМ), закон квадратичного управления (7.5) – при постоянстве мощности электропривода (тяговый электротранспорт).

Специфическими разновидностями частотного управления являются частотно-токовое управление и векторное управление. В первом случае управляют частотой и амплитудой тока статора. При этом преобразователь частоты рассматривается как источник переменного тока. Во втором случае оптимальное управление АД достигается изменением амплитуды, фазы и частоты векторов тока и потокосцепления ротора.

Для управления электродвигателями переменного тока используются различные полупроводниковые преобразователи:преобразователи напряжения, неуправляемые выпрямители, зависимые инверторы, автономные инверторы тока и напряжения, непосредственные преобразователи частоты, импульсные преобразователи. Схемы силовых преобразователейвесьма разнообразны и определяются конкретными требованиями к электроприводу переменного тока по таким показателям, как мощность, диапазон регулирования скорости, характеристика момента нагрузки на валу, потери электроэнергии, простота реализации, форма выходного напряжения или тока и др.

Преобразователи частоты (ПЧ), получившие наибольшее распространение в технике электропривода, разделяются на две большие группы: ПЧсо звеном постоянного тока и ПЧс непосредственной связью – НПЧ. В свою очередь ПЧ со звеном постоянного тока разделяются на ПЧ с управляемым или неуправляемым выпрямителем, с автономными инверторами тока (АИТ) или автономными инверторами напряжения (АИН).

Устройство, принцип работы и характеристики различных преобразователей частоты, используемых для управления электродвигателями переменного тока, достаточно всесторонне освещены в [11-13].

Рассмотрим некоторые функциональные схемы СУИМ на основе частотного управления электроприводами.

На рис. 7.1 приведена упрощенная схема системы частотного управления асинхронными электроприводами подъемно-транспортных ИМ с iR - компенсацией на основе СПЭ со звеном постоянного тока, содержащем управляемый выпрямитель УВ и автономный инвертор напряжения АИН.

Для вычисления модуля э.д.с. АД в структуру СУИМ введен функциональный преобразователь ФП. Сигнал , определяющий задание частоты поля статора, поступает одновременно на регулятор э.д.с. (РЭ) и систему управления тиристорами АИН. РЭ осуществляет требуемое соотношение (7.4), вырабатывая сигнал задания напряжения статора, поступающий на систему управления тиристорами выпрямителя. В системах регулирования скорости дополнительно применяют обратные связи по току статора и скорости вращения АД и, соответственно внешние контуры тока и скорости (на рис. 7.1 они не показаны).

Рис. 7.1. Система частотного управления с iR - компенсацией

На рис. 7.2 приведена функциональная схема асинхронного электропривода с частотно-токовым управлением.

СУИМ является двухконтурной: внутренний контур – контур регулирования тока статора, внешний – контур регулирования скорости. Регулятор скорости формирует сигнал задания частоты тока статора, пропорциональный ошибке регулирования скорости. На вход функционального преобразователя ФП подается разность выходного сигнала регулятора скорости и сигнала датчика скорости U _дс, пропорционального скорости АД. Таким образом, на входе ФП формируется сигнал пропорциональный абсолютному скольжению

. (7.6)

На практике нелинейную функцию функционального преобразователя ФП линеаризуют. Тогда электромагнитный момент электродвигателя [11-13]

. (7.7)

Рис. 7.2. Система частотно-токового управления

Сравнивая выражения (7.6) и (7.7), можно заключить, что выходной сигнал ФП может служить заданием тока статора или момента. На рис. 7.2 этот сигнал обозначен U _зт .

Раздельное управление током и частотой поля статора регуляторами тока и скорости обеспечивает простоту настройки СУИМ и высокое качество переходных процессов в электроприводе. Система частотно-токового управления применяется преимущественно в станочном электроприводе.

На рис. 7.3 приведена упрощенная функциональная схема асинхронного электропривода с векторным управлением. Обозначения блоков на схеме:

АИН с ШИМ – автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией;

БРП – блок регулирования переменных;

БЗП – блок задания переменных;

БВП – блок вычислений переменных.

Существует достаточно большое вариантов исполнения частотно-регулируемых преобразователей частоты (ЧРП), реализующих векторное управление [13]. Впервые такая система была разработана свыше 30 лет назад и получила название «Трансвектор».

Векторное управление – это управление во вращающейся системе координат, где скорость поля статора равна скорости вращающейся системы координат, т.е. . Задающими воздействиями СУИМ являются заданная частота вращения и потокосцепление ротора.

Рис. 7.3. Функциональная схема асинхронного электропривода

с векторным управлением

В системах векторного управления осуществляется независимое регулирование проекций тока статора и , определяющих электромагнитный момент и магнитный поток АД, на оси d и q подвижной системы координат. Для этого в системе осуществляется двукратное преобразование координат – из неподвижной системы координат в осях a и b (токи фаз А и В) во вращающуюся систему координат в осях d, q и обратно (преобразователи БВП и БЗП), и регулирование составляющих тока по замкнутому контуру во вращающейся системе (блок БРП). В этих преобразованиях обычно вектор потокосцепления ротора направляют по одной из осей d или q.

В одних модификациях ЧРП скорость вращения ротора w определяют косвенно на основе математической модели реального времени (w'), в других – с использованием встроенного частотно-импульсного датчика (энкодера).

Для осуществления перехода из одной системы координат в другую необходимо в каждый момент времени определять угол между системами координат (неподвижной и вращающейся).

Существует несколько способов определения этого угла:

1. используют датчики Холла, которые устанавливаются в расточку статора под углом 90⁰ относительно друг друга, при помощи которых определяют величину главного магнитного потока а зазоре;

2. используют измерительные обмотки, измеряющие Е ₁ и Е ₂;

3. косвенно определяют составляющие магнитного потока при помощи вычислительных устройств или математической модели АД. На основе составляющих фазных токов на выходе получают проекции вектора потокосцепления статора и на оси a и b.

Среди отечественных частотно-регулируемых электроприводов широко применяются электроприводы серии АТ фирмы «Триол», среди зарубежных – электроприводы фирм «Siemens», «Danfoss», «Schneider Electric» и др.

Электроприводы, в общем случае, обеспечивает выполнение следующих функций:

– предоставление информации о координатах состояния электропривода: I, M, P, w и др.;

– выбор источника управления: местное или дистанционное;

– программирование в режимах «off line» и «on line» (реальном времени);

– программирование таких задающих сигналов, как темпы разгона и торможения или формирование S –рампы (ЗИ 2-го рода);

– программирование параметров сигналов датчиков обратной связи в форме тока (0–5, 0–20, 4–20 мА) или напряжения (0–1, 0–10 В);

– программирование внешнего технологического контура регулирования с ПИД- регулятором или его частным структурам;

– программирование закона частотного управления, в частности, ;

– программирование параметров номинального режима и предельных значений координат;

– программирование пуска, торможения и отключения привода с дублированием релейного или звукового сигнала;

– программирование режима динамического торможения для электроприводов с динамическим торможением;

– программирование параметров локальной сети при работе в составе промышленной сети и др.

Наибольший экономический эффект дает применение ЧРП в системах тепло- и водоснабжения, вентиляции и кондиционирования, где применение ЧРП стало фактически стандартом. Наибольшая экономия электроэнергии достигается в случае переменной нагрузки, т.е. работы электродвигателя, как с полной, так и неполной нагрузкой.

8. Системы регулирования положения ЭИМ

Системы регулирования положения исполнительных органов машин и механизмов имеют широчайший диапазон приложений. Они применяются для стабилизации положения различных платформ в условиях качки их оснований (системы стабилизации положения), для позиционирования схватов манипуляторов промышленных роботов, позиционирования инструментов координатно-расточных станков (позиционные программные системы регулирования положения), для механической обработки поверхности различных изделий техники токарно-фрезерными станками (контурные программные системы регулирования положения), в качестве систем наведения антенн, оптических радиотелескопов, ракет (следящие системы управления положением) и т.п. Диапазон мощностей исполнительных двигателей САР положения очень широк – от десятков ватт до единиц Мегаватт.

8.1. Режимы перемещения рабочих органов

Системы стабилизации положения, контурные и следящие системы функционируют, как правило, в режиме малых отклонений координат, т.е. когда координаты не достигают предельно допустимых значений. Применительно к позиционным системам различают три режима их функционирования и, соответственно три режима перемещений рабочих органов:

– режим малых перемещений;

– режим средних перемещений;

– режим больших перемещений.

При малых перемещениях скорость w двигателя ИМ не достигает рабочей максимальной скорости (w < w _max), ускорение не достигает максимально допустимого значения (). Поскольку ускорение пропорционально динамическому моменту или току, то и они не достигают предельно допустимых значений.

В режиме средних перемещений скорость двигателя не достигает рабочей максимальной скорости, но ускорение двигателя (динамические момент, ток) может достигать предельного значения ().

В режиме больших перемещений и скорость, и ускорение двигателя могут достигать максимальных значений (w £ w _max, ). Графики перемещения, скорости и ускорения рабочего органа (двигателя ЭИМ) для этих режимов приведены на рис. 8.1.

Заметим, что время позиционирования исполнительного органа (ЭИМ) в режиме малых перемещений является неизменным, не зависящим от величины перемещения (рис. 8.1, а). САР положения при этом остается линейной.

В режимах средних и больших перемещений время позиционирования зависит от величины перемещения и САР становится нелинейной (рис. 8.1, б, в).

Рис. 8.1. Графики перемещения, скорости и ускорения рабочего органа

в позиционной СУИМ: а) режим малых перемещений;

б) режим средних перемещений; в) режим больших перемещений

САР положения призвана обеспечить оптимальное автоматическое перемещение исполнительного органа рабочей машины из некоторой начальной позиции в некоторую конечную. В позиционных САР траектория движения исполнительного органа не имеет существенного значения, и в качестве датчиков положения часто с успехом могут использоваться дискретные датчики типа конечных выключателей. Напротив, в следящих САР, контурных СЧПУ требуется непрерывный контроль отклонения положения от заданного значения. Автоматическое регулирование положения в этом случае реализуют с применением аналоговых (непрерывных) или дискретных (цифровых) САР положения с подчиненными контурами регулирования координат электроприводов.

В качестве датчиков положения используются сельсины, вращающиеся трансформаторы, индуктосины, многооборотные прецизионные потенциометры, импульсные, цифровые датчики и др. В ряде случаев для повышения точности работы САР контроль положения осуществляют датчиками грубого и точного отсчетов (при больших отклонениях положения от заданного значения работает система грубого отсчета, в диапазоне малых рассогласований – система точного отсчета).

Ниже будут рассмотрены некоторые САР положения, функционирующие в режимах малых, средних и больших перемещений РО ИМ.

8.2. САР положения с линейным регулятором

Функциональная схема САР положения, функционирующей в режиме малых перемещений, приведена на рис. 8.2. САР содержит двигатель постоянного тока ДПТ с независимым возбуждением, управляемый по цепи якоря от тиристорного преобразователя ТП, редуктор Р, регуляторы и датчики тока, скорости и положения (РТ, РС, РП, ДТ, ДС, СП), задатчик положения СД, фазочувствительный выпрямитель ФЧВ. В качестве датчика скорости используется тахогенератор постоянного или переменного тока (на схеме изображен тахогенератор постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов). В качестве датчика положения применен сельсин-приемник (СП), а в качестве задатчика положения - сельсин-датчик (СД). Сельсины работают в трансформаторном режиме (их обмотки возбуждения не соединены друг с другом и синхронизирующий момент не возникает). При возникновении рассогласования Dj = j_з – j в положении роторов сельсинов, т.е. при возникновении ошибки регулирования положения, в выходной однофазной обмотке сельсина-приемника наводится э.д.с. U _Dj = U _{Dj, max} sin Dj.

Рис. 8.2. Функциональная схема САР положения

При малых рассогласованиях в угловых положениях (< 3°) сельсинов величина наведенной э.д.с. будет практически пропорциональна величине рассогласования, т.е.

U _Dj = K _Dj Dj,

где K _Dj = U _{Dj, лин} /Dj _лин – коэффициент передачи сельсина-приемника в линейной зоне измерения углового положения,

U _{Dj, лин}, Dj _лин – отклонения координат в линейной зоне измерения углового положения.

Фазочувствительный выпрямитель ФЧВ позволяет выявить знак (фазу) рассогласования, формируя напряжение, пропорциональное ошибке регулирования положения, т.е.

D U _п = K _фчв U _Dj = K _фчв K _Dj Dj,

где K _фчв – коэффициент передачи ФЧВ.

Замкнутые контуры регулирования тока якоря и скорости двигателя (ЗКРТ и ЗКРС) настраиваются так же, как и в системе регулирования скорости «ТП–Д»: ЗКРТ – на технический оптимум (ТО), ЗКРС – на технический или симметричный оптимум (СО). При этом регулятор тока якоря имеет ПИ-структуру, регулятор скорости – П- или ПИ-структуры.

В зоне малых перемещений контур регулирования положения настраивают, как правило, на технический (ТО) или апериодический (АО) оптимумы. Структурная схема замкнутого контура регулирования положения приведена на рис. 8.3. Передаточную функцию ЗКРС аппроксимируют звеном первого порядка

где T _c – постоянная времени ЗКРС.

Рис. 8.3. Структурная схема контура регулирования положения

Коэффициент передачи силового редуктора K _j определяется как отношение выходной скорости редуктора к входной. Коэффициент передачи K _п цепи обратной связи по положению представляет собой отношение

K _п = D U _{п, лин} / Dj _лин.

При использовании в качестве датчика положения сельсина или вращающегося трансформатора K _п рассчитывают по формуле

K _п = K _фчв K _Dj = K _фчв U _{Dj, лин} / Dj _лин.

Эквивалентная малая постоянная времени замкнутого контура регулирования положения (ЗКРП) представляет собой сумму малых постоянных времени ЗКРС и фильтров на выходах регулятора положения (РП) и датчика положения (на выходе ФЧВ при использовании сельсина в качестве датчика положения), см. рис. 8.3:

T _mп = T _с + T _фрп + T _фдп.

Применяя типовую методику синтеза к контуру, настраиваемому на АО, получим передаточную функцию регулятора положения:

(8.1)

8.3. САР положения с нелинейным регулятором

Режим средних и больших перемещений характеризуется выходом как минимум ускорения двигателя на режим ограничений, т.е. e _max = (dw /dt)_max = (M _max + M _c) / J _пр (полагаем статическую нагрузку на валу электродвигателя постоянной). В этом случае СУИМ становится нелинейной. Следовательно, для синтеза регулятора положения теория линейных систем неприменима, а сам регулятор не может быть представлен передаточной функцией.

Установим соотношение между скоростью начала торможения w _нт и приращением перемещения D j _т в режиме средних перемещений (см. рис. 8.1, б):

где t _нт, D t – время начала торможения и время торможения.

Отображение полученного выражения на плоскости координат w _нти D j _т называется фазовым портретом (рис. 8.4).

Для конкретной точки А фазового портрета (см. рис. 8.4) найдем выражения для коэффициента передачи регулятора положения:

(8.2)

Как видим, коэффициент передачи РП в режиме средних перемещений зависит от скорости начала торможения w _нт и представляет собой нелинейное звено. При малых перемещениях коэффициент передачи звена стремится к бесконечности, что сделает позиционную САР неустойчивой. Для обеспечения постоянства K _рп и устойчивости системы во всем диапазоне средних перемещений принимают w _нт = w _max, т.е.

Рис. 8.4. Фазовый портрет позиционной САР для режима средних перемещений

(8.3)

Заметим, что e _max = w _max / D t _min. Сравнивая выражения для K _рп в режимах малых и средних перемещений, можно убедиться, что время разгона (торможения) до максимальной скорости при настройке контура положения на АО D t _min ³ 8 T _mп а, следовательно, необходимо учитывать фактор ограничения максимального ускорение e _max электропривода при аппроксимации регулятора положения линейным пропорциональным звеном.

При такой настройке РП система остается линейной в режимах малых и средних перемещений, однако оптимальное по быстродействию (производительности) позиционирование возможно только при w _нт = w _max, т.е. лишь в одной точке фазового портрета. При меньших перемещениях позиционирование будет осуществляться с дотягиванием, при больших – с перерегулированием. Очевидно, что оптимальное позиционирование во всех трех режимах перемещений требует применения нелинейного регулятора положения.

Дата добавления: 2014-11-29