Pakhomov_A_N__Krivenkov_M_V_Elektricheskiy_privod_uchebnoe_posobie
.pdf241
пунктир на рис. 4.5, б). Скорректированная формула закона пропорционального вольт-частотного управления с компенсацией падения напряжения на активном сопротивлении статора (IR-компенсацией) при сохранении постоянства перегрузочной способности АД должна иметь вид [9, 14]:
|
|
Uɺ1 − Iɺ1R1 |
|
= |
Eс |
= const , |
(8.2) |
|
|
|
|
||||||
|
|
f1 |
|
|
||||
|
|
|
|
|
f1 |
|
||
где Еc – « полная» ЭДС статора АД, |
равная сумме основной ЭДС статора |
|||||||
E1 = cE × Ф × f1 и ЭДС рассеяния |
|
в |
статорной обмотке |
E1σ = I1 × X1 = |
= cEσ × Ф1σ × f1 . В результате полный поток двигателя Ф1 = Ф + Ф1σ = const , где Ф – рабочий магнитный поток АД, Ф1σ – поток рассеяния обмотки статора. Напряжение на статоре U1 по сравнению с Еc необходимо увеличивать на
величину падения напряжения на активном сопротивлении статора. Реализация такой IR-компенсации в системе ПЧ-АД показана на рис. 8.10, а.
U1н, f1н |
U1н, f1н |
f1* |
|
|
|
|
f1* |
|
|
|
|
|
|
|
Ec |
U |
* |
ПЧ |
|
E |
E |
|
U |
* |
ПЧ |
ФП |
|
|
ФП |
эт |
Р |
|
|
||||
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
I1R1 |
+ |
|
|
|
|
|
|
|
U1 |
|
R1 |
|
I1 |
|
|
Ec |
ВУ |
|
|
|||
|
|
|
|
|
I |
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
M |
|
|
|
|
|
|
M |
а |
б |
Рис. 8.10
Сигнал задания на напряжение формируется как сумма U1* = Ec + I1R1 . Второе слагаемое рассчитывается по измеренному току статора I1 и известному активному сопротивлению обмотки статора R1 , которое в современных
ПЧ автоматически измеряется при первом включении привода. Функциональный преобразователь ФП реализует закон частотного управления (8.2). Другой способ реализации IR-компенсации приведен на рис. 8.10, б. Вычислительное устройство ВУ по измеренным значениям напряжения на статоре
Uɺ1 и тока Iɺ1 рассчитывает значение ЭДС Еc , которое сравнивается с эталонным Eэт , а их разность E = Eэт − Eс подается на регулятор Р. Последний
242
вырабатывает необходимое задание на напряжение U1* , уменьшающее ошиб-
ку рассогласования ЭДС E .
Закон пропорционального вольт-частотного управления является не единственным, используемым на практике. Часто реализуются другие законы, такие как, закон постоянства рабочего магнитного потока АД (IZ- компенсация), частотное управление АД с минимумом потерь и др.
В замкнутых частотно-управляемых электроприводах переменного тока возможно расширение диапазона регулирования до 50 и более. Еще сильнее увеличить диапазон (свыше 100) можно за счет использования замкнутых систем с векторным управлением, где задающие воздействия (амплитуда и частота напряжения статора АД) обеспечивают регулирование не только абсолютные значения координат, но и их угловые положения в пространстве, что позволяет качественно управлять электроприводом в переходных режимах.
Система электропривода с векторным управлением. Функциональ-
ная схема системы ПЧ-АД с векторным управлением приведена на рис. 8.11 [9].
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uA |
|
|
|
|
M |
|
BR |
|
ПЧ |
uB |
|
|
|
|
|
|
||
|
uC |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
* u* |
* |
|
iA iB |
iC |
|
ψ |
ψ |
|||
|
|
|
||||||||
uA |
B |
uC |
|
|
|
|
|
mα |
mβ |
|
Преобразователь |
|
Датчик |
|
|
Датчик |
|
|
|||
|
фаз |
|
|
токов |
|
|
потока |
|
|
|
uα |
uβ |
|
iα |
iβ |
|
|
ψ2α |
ψ2β |
|
|
|
Обратный |
|
Преобразователь |
|
|
|ψ2| |
|
|||
преобразователь |
|
|
|
|||||||
координат |
|
|
Вектор-фильтр |
|
||||||
|
координат |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
sin θ |
cosθ |
|
||
ud |
uq |
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
iq |
id |
|
|
|
|
|
|
Блок |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
компенсации |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
u*d |
|
u*q |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Регулятор |
|
* |
|
m* |
Регулятор |
|
ω* |
|
|
|
|
iq |
|
ад |
|
|||
|
|
|
тока iq |
|
|
|
|
скорости |
|
|
|
|
|
Регулятор |
|
id* |
|
|
Регулятор |
|
|ψ |* |
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
||
|
|
|
тока id |
|
|
|
|
потока |
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
244 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
приведенная к статору индуктивность фазы ротора, состоящая из взаимной |
||||||||||||||||||||||||
индуктивности статора и ротора |
Lm и индуктивности поля рассеяния |
|
′ |
|||||||||||||||||||||
L2σ . |
||||||||||||||||||||||||
Вектор-фильтр |
выделяет |
модуль |
|
вектора |
потокосцепления |
|
ротора |
|||||||||||||||||
ψ2 = ψ22α + ψ22β |
|
и |
|
тригонометрические |
функции |
cos θ = ψ2α |
|
ψ2 |
|
|
и |
|||||||||||||
sin θ = ψ2β ψ2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Текущие значения токов статора измеряются с помощью датчика тока и |
||||||||||||||||||||||||
пересчитываются в двухфазную неподвижную систему координат ( α , β ) |
|
по |
||||||||||||||||||||||
формулам i |
= |
2 |
|
− |
i |
B |
+ i |
i |
= |
1 |
(i |
|
− i |
). |
Переход от токов |
i |
|
, |
i |
|
к |
|||
i |
|
|
|
C , |
|
|
|
|
||||||||||||||||
1α |
|
3 |
A |
|
|
|
2 |
|
1β |
|
3 |
|
B |
C |
|
|
|
1α |
|
1β |
|
|||
токам во вращающейся системе координат выполняется по соотношениям: |
|
|
||||||||||||||||||||||
|
id |
= i1α cos θ + i1β sin θ, iq = −i1α sin θ + i1β cos θ , |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
где θ – текущий угол сдвига между системами координат ( α , |
β ) и ( d , |
q ). |
|
|
||||||||||||||||||||
При независимом управлении потокосцеплением ротора и электромаг- |
||||||||||||||||||||||||
нитным моментом (скоростью) АД необходимо во вращающейся системе ко- |
||||||||||||||||||||||||
ординат исключить взаимное влияние проекций вектора тока статора i1d и i1q , |
||||||||||||||||||||||||
характеризуемое наличием перекрестных связей в модели АД по этим проек- |
||||||||||||||||||||||||
циям [14]. Эта задача решается специальным блоком компенсации, структур- |
||||||||||||||||||||||||
ная схема которого показана на рис. 8.13, где L1 = Lm + L1σ – |
полная индук- |
|||||||||||||||||||||||
тивность фазы статора, |
|
|
|
2 |
|
′ |
|
– |
коэффициент рассеяния магнитно- |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
σ = 1 − Lm /(L1L2 ) |
||||||||||||||||||||||||
го поля АД, |
pп |
– число пар полюсов. Здесь же решается задача компенсации |
||||||||||||||||||||||
ОС по ЭДС вращения АД e = k2ψ2 pпω . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
ud |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uq |
|
|
|
id |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
iq |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
σL1 |
σL1 |
|
|
|
|
|
|
k2 |
|
|ψ2| |
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
ω |
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u* |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* |
|
|
|
pп |
|
|
|
|
|
|
d |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
uq |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 8.13 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Система управления электропривода построена по принципу подчинен- |
||||||||||||||||||||||||
ного регулирования координат. Она включает в себя внутренние контуры ре- |
||||||||||||||||||||||||
гулирования токов id |
и iq |
с соответствующими регуляторами. Внешними по |
||||||||||||||||||||||
отношению к токовым контурам являются контур регулирования потокосце- |
||||||||||||||||||||||||
пления ротора и контур регулирования скорости АД. Первый из них замкнут |
||||||||||||||||||||||||
по вычисленному модулю вектора потокосцепления ротора, второй – |
по сиг- |
245
налу скорости снятого с тахогенератора BR. Для того, чтобы при изменениях потокосцепления ротора сохранялось значение требуемого момента, заданное
значение тока id* получается путем деления выходного сигнала регулятора
скорости на модуль вектора потокосцепления ротора.
Преобразование составляющих напряжения статора ud и uq в составляющие uα и uβ осуществляется обратным преобразователем координат в соответствии с выражениями uα = ud cos θ − uq sin θ, uβ = ud sin θ + uq cos θ .
Впреобразователе фаз по формулам u*A = 23uα , u*B = (uβ − uα 3)2
иuC* = − (uβ + uα 3)2 формируются трехфазные синусоидальные сигна-
лы, определяющие на выходе ПЧ амплитуду и частоту напряжений питания обмоток статора АД.
За счет регулирования амплитудных значений переменных и углов между их векторами обеспечивается полное управление АД как в статике, так и в динамике, что дает заметное улучшение качества переходных процессов по сравнению со скалярным управлением.
Поскольку вектор потокосцепления ротора в системе координат ( d , q ) совмещен с осью d (рис. 8.12), то составляющая тока статора id определяет
магнитный поток двигателя, что по аналогии с ДПТ сравнимо с действием тока в цепи его обмотки возбуждения. При этом составляющая тока iq по-
добно току в якорной цепи ДПТ определяет электромагнитный момент АД. Механические характеристики АД при векторном способе управления подобны характеристикам ДПТ с независимым возбуждением. Синтез регуляторов в системе векторного управления (рис. 8.11) можно производить проверенными методами, которые применяются в практике проектирования замкнутых систем электропривода постоянного тока [11].
Недостатком систем с векторным управлением является сложности в реализации преобразований фаз и координат, а также в выполнении компенсационных связей. Однако с появлением микропроцессорных устройств с высоким быстродействием и большим объемом памяти возможности систем управления асинхронными электроприводами значительно расширились – диапазон регулирования скорости может достигать 1000 и выше при широком диапазоне изменения нагрузки АД. Кроме того, АД технически более просты и надежны в эксплуатации, могут длительно работать при повышенных скоростях и температурах, в агрессивных и взрывоопасных средах, имеют меньшие массу, габариты и стоимость. Все это и повлияло на повсеместное применение АД в автоматизированном электроприводе.
Системы программного управления, следящие и адаптивные сис-
темы электропривода. Если задающие воздействия на объект управления формируются на основе заранее заданной программы, то такая система называется системой программного управления. Очевидно, что в составе УУ при
247
микропроцессорную систему управления, где на основании сравнения с за-
данным значением положения θ вырабатывается выходной цифровой сигнал регулятора положения РП по запрограммированному в МПС алгоритму (см. разд 6.2). Далее с помощью ЦАП этот сигнал преобразуется в аналоговый
сигнал задания на скорость ω , который после сравнения с измеренной скоростью ω′ подается на вход регулятора скорости РС и т. д. Выходной сигнал РТ U является управляющим для системы управления ЭПУ.
В последние годы в связи с бурным развитием микропроцессорной техники получил развитие электропривод с адаптивным управлением. УУ таких СЭП может быть трех типов: самонастраивающееся с возможностью автоматического изменения параметров регуляторов при изменении условий работы; самоорганизующееся, когда автоматически изменяются и структура (алгоритм), и параметры регуляторов; самообучающееся при автоматическом изменении параметров, структуры и закона управления.
Адаптивные системы стабилизации обеспечивают поддержание заданного показателя качества технологического процесса (например, наивысшей производительности рабочей машины) на определенном уровне, а экстремальные системы – получение его экстремального значения.
8.5. Станции управления и комплектные электроприводы
Для унификации схемных решений релейно-контакторного управления электроприводами разработаны и выпускаются электротехнической промышленностью стандартные станции и панели управления, содержащие также элементы блокировок, защит, сигнализации и связи с технологическим оборудованием. Рассмотрим в качестве примера релейно-контакторную станцию управления АД с фазным ротором серии ПУ6520 [5], приведенную на рис. 8.15.
Станция осуществляет автоматизированный пуск, реверс и торможение АД с помощью командоконтроллера SM, который при отключенном АД необходимо перевести в начальное положение «0». Замыканием рубильников Q1-Q3 подается напряжение на катушку реле времени KT1 и реле защиты FV, что подготавливает схему к началу работы.
Перевод рукоятки командоконтроллера SM в положение «3» (влево или вправо зависит от требуемого направления вращения АД) включает линейные контакторы KM1 (KM2) и KM3. При этом статор АД подключается к сети переменного тока, а электромагнитный тормоз YB из-за срабатывания контактора KM4 растормаживает АД. После этого происходит двухступенчатый пуск АД на естественную характеристику с управлением в функции времени. Для этих целей используются контакторы ускорения KM6 и KM7, которые с задержкой времени, реализуемой с помощью реле времени KT1 и KT2, последовательно шунтируют активные сопротивления R2доб 1 и R2доб 2 в цепи ротора
по мере разгона АД. Следует отметить, что в начале пуска срабатывают реле
250
ВСБ обычно входят коммутационно-защитная аппаратура КЗА, согласующие элементы СЭ (трансформатор или токоорганичивающий реактор), ЭПУ (для ЭДУ переменного тока это ПЧ или ПН, для ДПТ – УВП, ШИП), фильтрующие элементы ФЭ (сглаживающие и уравнительные реакторы, фильтры) и устройства торможения УТ (тормозные резисторы).
ВБУ входят источник питания ИП информационной и управляющей цепей, блок защиты и сигнализации БЗС, устройство сопряжения УС сигналов управления и сигналов с ИУ. БУ содержит встроенную МПС с САР для местного управления, но также существует возможность дистанционного управления от пульта управления или, как правило, от МПС верхнего уровня.
Датчики технологических параметров ДТП, пульты управления и другие устройства ввиду их специфичности в комплект поставки обычно не входят. Наличие в КЭП ЭДУ и датчика скорости ДС зависит от потребностей заказчика.
Примерами КЭП постоянного тока могут служить регулируемые электроприводы серий КТЭ и КТЭУ, обладающие широким спектром функциональных возможностей и отличаются набором и исполнением отдельных блоков. Для привода механизмов станков, роботов и других устройств разработана большая группа КЭП серий ЭТ, ЭПУ, ПРП, ЭШИР, комплектуемые высокомоментными двигателями типов ПБСТ, ПГТ, ПБВ с встроенными тахогенераторами для организации обратной связи по скорости. В КЭП типов ПРП и ЭШИР в качестве ЭПУ используются ШИП. В остальных КЭП применяются реверсивные или нереверсивные УВП. Для некоторых КЭП с целью увеличения диапазона регулирования скорости характерно наличие преобразователей напряжения для управления возбуждением ДПТ.
Вследствие преобладающего применения ЭДУ переменного тока выпускается широкая номенклатура КЭП с ПЧ и ПН серий ЭКТ, АП, ЭПА, ЭТА, АТО. В станкостроении и робототехнике применяются специализированные КЭП серии ЭПБ, выполненные по схеме ВД (см. разд. 4.10).
КЭП обеспечивает заданный темп разгона, торможения и реверса ЭДУ. САР КЭП, как правило, выполняется по принципу подчиненного регулирования с П-, ПИили ПИД регуляторами координат. В состав КЭП входят элементы, обеспечивающие все виды защит: нулевую, максимально-токовую, тепловую и другие специальные защиты (от обрыва фазы, от перенапряжений, от ошибок управления и программирования, от неисправностей в блоках КЭП и др.). Мощность современных КЭП лежит в пределах от единиц (станочные приводы) до тысяч киловатт.
8.6.Контрольные вопросы
1.В чем различие между разомкнутой и замкнутой системами автоматизированного электропривода?
2.С помощью каких показателей оцениваются регулировочные свойства систем электроприводов?