Система частотно-токового управления СFC.

Отличительным признаком рассмотренных выше систем с VFC- управлением является то, что в блоке управления двигателем формировались сигналы задания для блока ШИМ по частоте f_act и амплитуде напряжения Û_act. Такой способ управления блоком ШИМ при надлежащей настройке БУД позволяет сформировать достаточные для большинства практических случаев статические характеристики, т.е. оптимизировать работу привода в установившихся режимах. Однако динамике в некоторых режимах, прежде всего при ступенчатом набросе нагрузки, свойственно появление значительных динамических ошибок. Данный факт обусловлен возникающими переходными процессами, при которых из-за электромагнитной инерционности обмоток токи в них при скачке задания амплитуды напряжения Û_act изменяются с отставанием. По этой же причине с отставанием действуют и компенсирующие связи, что влечет за собой уменьшение магнитного потока. В результате момент двигателя, зависящий и от тока, и от потока, при ступенчатом набросе нагрузки возрастает с задержкой во времени, что и служит причиной возникновения динамической ошибки по скорости. Она проявляется в почти мгновенном значительном снижении скорости с последующим ее восстановлением по мере роста момента двигателя. Сокращение времени нарастания тока обмотки статора и всего переходного процесса может быть достигнуто только за счет форсировки напряжения.

С целью улучшения динамики привода именно такое решение и положено в основуСFC- управления (рис.16).

Рис.16. Функциональная схемасистемы векторного управления СFC.

Необходимая форсировка напряжения обеспечивается выбором коэффициента усиления регулятора тока. Контур тока, благодаря своему высокому быстродействию, обеспечивает быстрое нарастание тока. Выходное напряжение U_Хsetp является заданием для блока ШИМ. Синусоидальную форму оно имеет только в установившемся режиме, а в динамике изменяется в зависимости от требуемой форсировки по произвольному закону. Данный факт – это еще один отличительный признак СFC- управления. Задания для регуляторов тока I_Хsetp формируются в блоке «Расчет фазных токов» как мгновенные, а не амплитудные, значения токов всех трех фаз в виде синусоидальных сигналов. Они поступают на одни входы регуляторов тока, а на другие входы подаются текущие значения токов этих же фаз, измеренные с помощью датчиков, установленных в цепях обмотки статора. Расчет фазных токов включает расчет амплитуды, периода и фазы синусоид фазных токов и проводится по задаваемым значениям I_Хq – активной и I_Хd - реактивной составляющим тока статора, а также фазы - φ. Активная составляющая I_Хq рассчитывается в блоке «I/М» по требуемому значению момента М_setp, поступающему с выхода регулятора скорости. Реактивная составляющая I_Хd рассчитывается в блоке «Модель потока» по текущему значению скорости, поступающему с датчика скорости. Фаза φ рассчитывается с использованием модели двигателя. Расчеты производятся методами векторного исчисления по математическим моделям, используемым в теории обобщенной электрической машины. Математические модели асинхронных двигателей весьма разнообразны и многочисленны. Какая из них использована в конкретном преобразователе, известно только разработчику, однако принцип построения систем управления при данном способе управления у них одинаков.

Принципиально важное отличие СFC- управления от других состоит в том, что регулируемой величиной является не скорость (частота), а момент двигателя. Это достигается независимым регулированием магнитного потока (I_Хd) и активной составляющей тока статора (I_Хq). Благодаря этому преобразователь с СFC- управлением можно использовать в режиме регулирования момента (моментный двигатель).

В режиме регулирования скорости стабилизация скорости обеспечивается ПИ-регулятором скорости, а при необходимости расширения диапазона регулирования обязательно использование датчика скорости с высокой разрешающей способностью (инкрементного синус-косинусного).

Время отработки скачка нагрузки ΔМ = 160% М_н по данным фирмы снижается до 1÷ 2 мс, тогда как при VFC- управлении оно составляет 7÷10 мс.

С точки зрения энергопотребления данный способ управления наиболее экономичный, так как за счет высокой точности стабилизации магнитного потока требуемые значения моментов создаются при минимальных токах обмотки статора.

Столь высокие результаты могут быть достигнуты только при использовании точных моделей и наличии достоверной информации о параметрах двигателя. По этой причине в преобразователях фирмы SEW-EURODRIVE режим СFC- управления может быть реализован только с использованием двигателей этой фирмы.

Основные отличия частотно-токового управления от других способов управления.

1) Использование быстродействующих контуров тока позволяет значительно уменьшить время переходных процессов в цепи обмотки статора за счет форсировки напряжения. Благодаря ускорению нарастания тока при скачкообразном увеличении нагрузки, также быстро изменяется момент двигателя. В результате не только сокращается время переходного процесса, но и уменьшается динамическая ошибка, т.е. провал скорости при набросе нагрузки. Это обстоятельство является основным для выбора данного способа.

2) Управление током статора при постоянном потокосцеплении позволяет реализовать управление не только по скорости, но и по моменту. Таким образом, асинхронный двигатель приобретает свойства моментного двигателя.

3) Благодаря управлению моментом улучшаются характеристики привода и в установившемся режиме. Жесткость механических характеристик практически одинакова при всех способах векторного управления, но по неравномерности движения они существенно отличаются. Момент сопротивления при движении не остается постоянным даже при постоянстве средних значений скорости и момента. Изменения момента обусловлены непостоянством сил трения и неравномерностью магнитного сопротивления воздушного зазора. Первая составляющая является причиной возникновения переменной составляющей момента нагрузки, а вторая – переменной составляющей электромагнитного момента двигателя. Результатом их воздействия являются переменные составляющие скорости с частотой, пропорциональной частоте вращения. Благодаря контуру момента, привод отрабатывает изменения момента и уменьшает мгновенные изменения скорости, снижая тем самым неравномерность скорости. Этот факт позволяет работать на очень низких скоростях и увеличить диапазон регулирования скорости до 5000:1.