Принципы построения систем векторного управления [Л.1: 6.3].

В предыдущих разделах были рассмотрены положения математического аппарата,

используемого при реализации систем векторного управления, а также структурные схемы с произвольной ориентацией вращающейся системы координат (α – β) и с ее ориентацией по вектору потокосцепления ротора Ψ₂ (d-q). Структурные схемы построены по проекциям векторов переменных, которые представляются действительными числами, наиболее пригодными для вычислений, что значительно упрощает процедуру вычислений.

Однако для рассмотрения принципов построения и технической реализации систем векторного управления необходимо обсудить еще, по крайней мере, два вопроса: способы стабилизации потокосцепления ротора Ψ₂ и преобразования координат.

Способы стабилизации потокосцепления ротора Ψ₂

Улучшение динамических свойств привода с векторным управлением асинхронным двигателем может быть достигнуто, если обеспечить постоянство Ψ₂ не только в статических, но и в динамических режимах. Для стабилизации какой-либо переменной обычно создается замкнутый контур с заданием и измерением регулируемой величины. Однако измерить потокосцепление ротора непосредственно практически не возможно, и поэтому информацию о Ψ₂ можно получить только другими способами, соответственно которым существующие системы векторного управления делятся на системы с прямой и косвенной ориентацией по полю.

В системах с прямой ориентацией полученная тем или иным способом информация о потокосцеплении Ψ₂ используется для организации контура потока и его стабилизации.

По способу получения информации о потоке Ψ₂ имеется две разновидности систем:

1) вычисление потока Ψ₂ по модели двигателя; 2) измерение главного потока Ψ_m с помощью датчиков, установленных в воздушном зазоре, и затем расчет по нему Ψ₂.

На рис.8 приведены структурные схемы привода с прямой и косвенной ориентацией по полю, на которых двигатель М представлен в виде математической модели в системе координат α- β. Так же представлен и преобразователь частоты ПЧ с инвертором, управля-емым током i₁. На рис.8,а показана структура привода, поясняющая принцип векторного управления с прямой ориентацией и расчетом потокосцепления Ψ₂по модели двигателя.

Рис.7. Структурная схема двигателя с

управлением током статора

Значком * помечены сигналы задания, а значком ^ - величины, определяемые в модели. Сигналами задания ПЧ служат и - проек-ции вектора тока статора на оси вращающейся системы координат, поступающие с регулято- Рис.8. Структура привода с прямой и кос-

оров потока (РПт) и момента (РМ). В модели венной ориентацией по потокосцеплению

двигателя (рис.6) по истинным значениям проекций тока i_1α и i_1β и значению скорости двигателя рассчитываются значения момента и потокосцепления ротора . Там же рассчитывается мгновенное значение угла поворота θ_С вращающейся системы координат α- β относительно неподвижной x-y. Угол θ_С используется в дальнейшем в преобразователе координат (на схеме не показан). Рассчитанное значение потокосцепления ротора сравнивается с сигналом заданияна входе регулятора потока (РПт), а момент двигателя - с сигналом задания момента на входе регулятора момента (РМ). Контур регулирования момента является внутренним по отношению к внешнему контуру скорости с регулятором скорости (РС).

Сигнал заданиявычисляется по номинальным и обмоточным данным двигателя. Из этого следует, что высокое качество работы системы может быть достигнуто только при наличии достоверной и полной информации о двигателе.

Сигнал задания по моменту является выходным сигналом контура скорости, поэтому его значение формируется регулятором скорости на уровне, необходимом для обеспечения требуемой точности стабилизации скорости в заданных диапазонах регулирования скорости и изменения нагрузки.

Рассмотренный принцип построения систем векторного управления - наиболее распространенный в выпускаемых промышленностью преобразователях частоты.

Система управления с измерением потока Ψ_m была разработана в конце 60-х годов ХХ века фирмой Siemens [Л.1:7.3]. Измерение магнитного потока производилось с помощью двух датчиков Холла, установленных в зазоре двигателя. Датчики сдвинуты в плоскости поперечного сечения двигателя на 90 эл. град, один из них ориентирован по оси х. Благодаря этому выходные напряжения датчиков представляют собой проекции вектора главного потокосцепления Ψ_mх и Ψ_mу на оси неподвижной системы координат х-у. Проекции вектора потокосцепления ротора Ψ_2х и Ψ_2у, необходимые для построения системы управления, рассчитывались по выражениям:

Ψ_2х = Ψ_mх /(к₂ – L_2σ i_1х); Ψ_2у = Ψ_mу /(к₂ – L_2σ i_1у) .

Это была первая промышленная векторная система регулирования скорости асинхронного двигателя (Transvektor) и долгое время единственной. Ее основной недостаток – обязательное оснащение двигателя датчиками потока, что исключало возможность использования любых асинхронных двигателей и определило ее ограниченное применение. Однако разработанный принцип управления стал основой для построения всех систем векторного управления, выпускаемых и в настоящее время.

В системах с косвенной ориентацией по полю (рис. 8,б) поток Ψ₂ не измеряется и не рассчитывается, а формируется путем задания других переменных. Требуемые сигналы задания составляющих тока статора формируются на основании заданных значений потокосцепления и момента (внешний контур скорости, аналогичный контуру с регулятором РС на рисунке 8,а, имеется, но на рис. 8,б не показан).