Исследование динамических свойств электропривода с вентильным двигателем (стр. 5 из 5)

На рис. 7.7 изображена диаграмма отработки привода с вентильным двигателем «малого» задания скорости, Uзс=0.01,В.

Рис. 7.7

Регулятор скорости не заходит в ограничение. Скорость ротора устанавливается без перерегулирования, ток не достигает своего максимального значения.

Наличие высших гармоник, наложенных на основные измеряемые координаты связано дискретными сигналами управления релейного регулятора тока.

8. Бездатчиковое определение скорости вентильного двигателя

В большинстве приложений, где необходимо получение хороших характеристик электропривода при минимальной его стоимости, наибольший интерес вызывают схемы бездатчикового векторного управления. Прежде всего - это атомная энергетика, в частности, перегрузочные роботы, где необходим более высокий (до 50:1) диапазон регулирования скорости и по условиям технологии исключается возможность установки датчика положения на вал ротора двигателя. К подобным системам управления (СУ) предъявляются также повышенные требования по диапазону регулирования электромагнитного момента - до 10:1.

Применительно к таким схемам термин "бездатчиковое управление" означает отсутствие датчика скорости на валу двигателя, а информация о скорости вращения и потокосцеплениях двигателя извлекается из измеренных токов и напряжений статора. Согласно [3], угловая скорость электрического поля

определяется выражением:

(8.0)

где

- потокосцепления статора в неподвижной системе координат.

- число полюсов двигателя.

Структурная схема электропривода с бездатчиковым определением скорости приведена на рис. 8.1.

Рис. 8.1

Вычисление скорости производится в блоке W_Solve, изображенной на рис. 8.2.

Рис. 8.2

Переход от трёхфазной системы координат к двухфазной и обратно выполняется с помощью формул преобразования координат. Переменные в новой системе координат находятся как сумма проекций в старой системе на оси новой системы координат.

или . (8.1)

Структура преобразователя координат (ABC – ab), собранного по формулам (8.1) приведена на рис.8.3.

Рис. 8.3

На рис. 8.4 изображены напряжения и токи статора двигателя в неподвижной системе координат после фильтрации высоких частот.

Рис. 8.4

Производные потокосцеплений статора двигателя в неподвижной системе координат приведены на рис. 8.5.

Рис. 8.5

На рис. 8.6 изображены конечные сигналы, участвующие в вычислении скорости, а также скорость двигателя при бездатчиковом определении (рис. 8.7).

Рис. 8.6

Рис. 8.7

Большинство ведущих мировых производителей электроприводов Siemens, ABB, SchneiderElectric, Hitachi, Danhfos и др. поддерживают в своих изделиях все три современные структуры управления ЭД: скалярного, векторного датчикового и векторного бездатчикового. Причем, для последней структуры указывается диапазон регулирования скорости до 50:1. Опыт промышленной эксплуатации таких ЭП в России показывает, что в зоне низких скоростей часто возникают колебания скорости, устранить которые настройками привода не удается и реальный диапазон регулирования скорости заметно ниже [7].

Таким образом, основные проблемы, связанные с построением бездатчикового векторного электропривода заключаются в следующем [17]:

1) Наблюдатель состояния двигателя (ЭД), построенный на основе решения полной системы уравнений электрического равновесия для статора и ротора по доступной информации о напряжениях и токах статора, способен обеспечить приемлемую точность вычисления потокосцепления и скорости только в ограниченном диапазоне частот. Это связано с известной проблемой введения начальных условий при частотах, близких к нулевой. Практически все способы решения данной проблемы связаны с введением определенного отклонения математического описания наблюдателя состояния относительно реального объекта при работе в области малых частот. Эти отклонения проявляются в виде ошибки в вычислении потокосцепления, скорости, активной и реактивной составляющих тока.

2) Следующей проблемой является чувствительность электропривода к изменению его параметров в процессе работы. Прежде всего, это относится к температурным изменениям активных сопротивлений статора и ротора, а также к изменению взаимной индуктивности в зависимости от тока цепи намагничивания. Одним из подходов к решению данной проблемы в построении векторного регулятора и наблюдателя состояния ЭД является применение регуляторов, грубых в отношении параметрических возмущений, в частности, релейных регуляторов, функционирующих в скользящих режимах. Другим подходом является параметрическая адаптация, осуществляемая в реальном времени при работе привода.

3) Третьей проблемой является получение необходимой точности оценки эквивалентных (усредненных на интервале расчета процессов в наблюдателе состояния) значений токов и напряжений статора. На точность оценки эквивалентных напряжений в области малых частот основной гармоники и высоких частот модуляции существенно влияет «мертвое время» и задержки переключения ключей инвертора. Заметим, что проблема точности измерения напряжения на малых частотах в гораздо меньшей степени проявляется в векторных электроприводах с датчиком скорости/положения, так как быстродействующий контур скорости, замкнутый по реально измеряемому сигналу, способен в значительной степени компенсировать ошибки, связанные с динамическими неидеальностями ключей инвертора.

9. Заключение

Сегодня в распоряжении разработчиков появились относительно недорогие редкоземельные магниты из материала неодим-железо-бор с высокими энергетическими характеристиками. Усилиями ученых удалось довести температуру эксплуатации таких магнитов до рабочей температуры механизма, а нанесение коррозионно-стойких покрытий позволило продлить их срок службы на все время работы электропривода.

В настоящее время вентильные двигатели с постоянными магнитами прочно завоевали позицию надежных, компактных и экономичных электромеханических преобразователей энергии. Кроме того, будучи дискретными по своей структуре и имея встроенный датчик положения ротора, они без дополнительных устройств стыкуются с цифровыми блоками управления, что позволяет на их базе легко создавать замкнутые системы электроприводов со сложной циклограммой работы.

Вентильные двигатели с редкоземельными магнитами целесообразно применять не только в медицине и необслуживаемых механизмах, но и в авиационной и космической технике.

10. Список использованной литературы

1. Донской Н.В. Регулируемые электроприводы переменного тока/ - Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2007. – 204 с.

2. Цыпкин Я. З. Релейные автоматические системы. Главная редакция физико-математической литературы, изд-во «Наука», М., 1974, 576 стр.

3. Соколовский Г.Г. Электроприводы переменного тока с частотным регулированием: учебник для студ. высш. учеб. заведен. М.: Издательский центр «Академия», 2006. – 272с.

4. Анхимюк В., Опейко О.Ф. Проектирование систем автоматического управления электроприводами: Учеб. пособие для вузов.: Мн.: Высш. шк., 1986г – 143 с

5. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами: Учеб. пособие для вузов.: -Л.: Энергоиздат, Ленингр. отд-ие, 1982г – 392 с.

6. Туренко Т.В. Применение пакетов SIMULINK И STATEFLOW для моделирования гибридной системы прямого цифрового управления унитарно-кодовым датчиком СПБГУ "ЛЭТИ", г. Санкт-Петербург. –

Труды Всероссийской научной конференции «Проектирование научных и инженерных приложений в среде MATLAB» Часть 5. Имитационное моделирование. Simulink и Stateflow под общ. ред. И.В. Черных.

7. Корельский Д.В., Потапенко Е.М., Васильева Е.В. Обзор современных методов управления синхронными двигателями с постоянными магнитами// Науковий журнал "Радiоелектронiка. Iнформатика. Управлiння", 2001. - с. 155-159.

8. Панкратов В.В. Тенденции развития общепромышленных электроприводов переменного тока на основе современных устройств силовой электроники// Силовая интеллектуальная электроника. Специализированный информационно-аналитический журнал. 2005, №2, с. 27-31

9. Joachim Holtz. Sensorless Control of Induction Motor Drive. - Fellow, IEEE, Vol .90, No.8, Aug.2002 – Germany.

10. Kim Gauen and Jade Alberkrack. Three Piece Solution for Brushless Motor Controller Design.July, 2005− Rev. 5

11. J. P. Johnson, M. Ehsani, and Y. Guzelgunler. "Review of sensorless methods for brushless DC," presented at 1999 IEEE Industry Applications Conference, 1999.

12. P. P. Acarnley and J. F. Watson. "Review of position-sensorless operation of brushless permanent-magnet machines," IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 53, pp. 352-362, Apr. 2006.

13. SimPowerSystemsTM Release Notes.

14. Binns K.J.; Sneyers B.; Maggetto G.; Lataire Ph. Rotor-position-controlled permanent magnet synchronousmachines for electrical vehicles, ICEM ‘80, 1980, pp. 346-357.

15. Slemon, G. R.; Xian, L. Modelling and Design Optimisation of Permanent Magnet Motors, Electric Machines andPower Systems, vol. 20, no. 2, 1992, pp. 71-92.

16. Zhong L.; Rahman M.F.; Lim K.W. Modelling and experimental studies of an instantaneous torque and fieldweakening control scheme for an interior permanent magnet synchronous motor drive, ELECTRIMACS 1996, pp. 297-302.

17. А.Б. Виноградов, И.Ю. Колодин, А.Н. Сибирцев. Адаптивно-векторная система управления бездатчикового асинхронного электропривода серии ЭПВ. – статья. http://www.vectorgroup.ru/articles/article12

Дополнительные источники информации

18. www.elprivod.ru

19. www.exponenta.ru

[1]ЗАО « Электротехнические системы», Санкт – Петербург.

[2]Согласно теореме Котельникова