Технические науки/

12. Автоматизированные системы управления на производстве.

К.т.н. Корчагина В.А., главный специалист по электрооборудованию

ОАО «НЛМК» Корчагин А.А.

Липецкий государственный технический университет

РАЗРАБОТКА ЧАСТОТНОГО АСИНХРОННОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА С ВЕКТОРНОЙ СИСТЕМОЙ УПРАВЛЕНИЯ

Задача энергосбережения в асинхронном электроприводе на сегодня является приоритетной. При этом синтезу оптимальных систем скалярного и векторного частотного управления посвящено большое количество работ. Однако они характеризуются сложными алгоритмами расчета переменных, зависящих друг от друга. Использование усовершенствованной математической модели асинхронного двигателя дает возможность оптимизировать и упростить алгоритм работы системы частотно-векторного управления [1,2].

При сравнении систем оптимального регулирования асинхронным электроприводом был предложен перспективный закон управления асинхронным двигателем в естественной системе координат при поддержании угла между вектором тока статора и вектором тока намагничивания на уровне 45⁰ .

Рассматривая уравнение электромагнитного момента

(1)

проанализируем функцию

(2)

где

(3)

(4)

Т₁ и Т₂ - постоянные времени, зависят от относительного скольжения :

(5)

(6)

где - выражение для амплитудно-частотной характеристики (АЧХ), характеризующее изменение соотношений модулей векторов токов при изменении частоты ; - выражение для фазовой частотной характеристики (ФЧХ), характеризующее изменение угла между векторами токов при изменении частоты .

На рис.1 функциональная схема системы управления частотным асинхронным электроприводом с релейным регулятором тока: 1– инвертор; 2,3 –датчики тока; 4 – асинхронный двигатель; 5 –датчик скорости; 6 – широтно-импульсный (ШИМ) регулятор тока; 7 – сумматор тока; 8 – блок сравнения скорости; 9 – блок задания скорости; 10 – блок ограничения частоты вращения магнитного потока; 11– формирователь задания мгновенных значений тока намагничивания; 12– компаратор; 13 – блок задания модуля тока намагничивания; 14 – пропорционально-интегральный регулятор скорости; 15 – блок коррекции; 16 – блок сравнения между заданным и рассчитанным углом вектора тока статора и тока намагничивания; 17,18,19 – фазные блоки сравнения тока намагничивания; 20, 21, 22 – фазные блоки расчета тока намагничивания; 23, 24, 25 – регуляторы тока намагничивания двигателя; 26 – блок расчета скольжения; 27 – блок формирования частоты вращения магнитного потока; 28 – блок расчета постоянной времени интегрирования; 29 – блок расчета угла между векторами тока намагничивания и тока статора; 30 – блок задания угла 45⁰; 31 – блок задания разности частот вращения поля статора и ротора двигателя; 32 – блок коррекции; 33 – блок расчета фазного напряжения; 34 – блок наблюдателя угла между векторами тока статора и фазного питающего напряжения.

Продифференцируем уравнение (1) и приравняем дифференциал к нулю. Найдем корень уравнения, который будет являться оптимальной частотой вращения (рад/с). При этом момент будет максимальным:

, (7)

где - задаваемая разность частот вращения поля статора и ротора двигателя, которая зависит от насыщения магнитной цепи и нагрева обмоток, - постоянная времени обмотки ротора.

Система построена по принципу регулирования отклонения реального значения от заданного значения . Приведённая на рис. 1 система частотного асинхронного электропривода обеспечивает минимизацию потребления тока статора двигателя при заданном значении статического момента. Основной структурной составляющей ЭП является АИН с двухпозиционными гистерезисными регуляторами, которые позволяют обеспечивать прямое управление током. Передаточная функция регулятора тока намагничивания имеет вид

. (8)

На вход каждого из 3-х регуляторов подается периодический сигнал задания на ток намагничивания , поступающий с блока 11.

Блок косвенного вычисления угла между вектором тока статора и током намагничивания 29 работает используя значения времени, рассчитывая угол сдвига по следующему соотношению:

, (9)

где t₂ - время перехода через нуль, мc; t₁ - время перехода через нуль, мc. Работа в блоке коррекции оптимальной скорости магнитного потока 32 (рис.1) происходит с шагом дискретизации ξ=0.0001. Рабочее изменение управляемого параметра ∆ω на - м шаге поиска имеет вид

(10)

где - исходное состояние задания разности частот вращения поля статора и ротора ∆ω, - изменения показателя качества разности углов между вектором тока статора и вектором тока намагничивания. Работа блока коррекции 15 (рис.1) происходит с периодом шага дискретизации ξ=0.0005. Рабочее изменение управляемого параметра на - м шаге поиска будет иметь вид

(11)

где - исходное состояние задания на ток намагничивания, - изменения показателя качества разности углов между вектором тока статора и вектором тока намагничивания. В результате поддержания угла между моментообразующими векторами, ток статора снижается на 9-10% . Результаты моделирования показывают, что в данной системе частотного электропривода за счет точности управления, характера переходных процессов, быстродействия и устойчивости системы обеспечиваются требуемые динамические свойства [3,4]. С использованием наблюдательного блока 34 возможно определение угла φ между вектором фазного питающего напряжения и тока статора (рис.1) по формуле

, (12)

где - мгновенное значение тока статора, - амплитудное значение тока статора. При изменении напряжения ПЧ достигается минимальное значение тока статора, когда угол между векторами тока статора и тока намагничивания становиться, близок к 45⁰, как показывает плоскость оптимального режима, представляющая собой зависимость тока статора от напряжения и момента нагрузки (рис.2).

Разработанная система электропривода характеризуется высокими энергетическими показателями, простотой схемных решений и упрощенными математическими алгоритмами, позволяющими использовать адаптивные регуляторы при построении системы управления на базе однокристальной ЭВМ. Предложенная математическая модель системы электропривода переменного тока позволяет анализировать влияние переменных параметров асинхронного двигателя, работающего продолжительное время, с учетом насыщения и нагревания асинхронного двигателя. Система с поддержанием заданного угла между векторами тока статора и тока намагничивания позволяет увеличить коэффициент мощности и в целом повысить кпд электропривода.

Литература

1. Башарин, А.В., Новиков, В.А., Соколовский, Г.Г. Управление электроприводами: Учебное пособие для вузов. – Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1982.-392 c., ил

2. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока / – Мн .: Техноперспектива, 2006.-363 c.

3. Мещеряков В.Н., Корчагина В.А., Мещерякова О.В. Векторное управление с поддержанием взаимной ориентации моментообразующих векторов // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2010. №3. С.31–36.

4. Мещеряков В. Н, Корчагина В.А., Корчагин А.А.Разработка частотного асинхронного электропривода с системой управления углом между векторами тока статора и тока намагничивания// Вести высших учебных заведений Черноземья: научно-технический и производственный журнал №2(20)./ Липецкий гос. тех. ун-т. – Липецк, 2010.С.12-17