5 Выбор и разработка функциональной схемы САР
Стандартное программное обеспечение платы управления содержит различные разомкнутые и замкнутые структуры управления для различных применений. Среди них есть:
- Разомкнутая система скалярного управления по U/f характеристике для простых электроприводов;
- Замкнутая система скалярного управления по U/f характеристике с внешней обратной связью по скорости для случая, когда компенсация скольжения не обеспечивает необходимой точности поддержания скорости;
- Векторное управление для приводов с высокой динамикой.
По требованиям, предъявляемым к электроприводу необходимы ограничения скорости и момента, как в динамике, так и в статике. Это может обеспечить только векторное управление. При таком управлении достигаются динамические характеристики близкие к двигателю постоянного тока. Это достигается путем раздельного управления составляющими тока статора, отвечающими за момент и за поле. Таким образом становится возможным точное управление моментом.
Векторное управление бывает трех типов:
а) Векторное управление скоростью без датчика скорости. Обычно используется для одноприводныхмеханизмов с асинхронными двигателями с требуемым диапазоном регулирования 1:10, то есть для многих промышленных реализаций, таких как прессы и вентиляторы, центрифуги, некритические механизмы транспортировки и выравнивания;
б) Векторное управление скоростью с датчиком скорости. Он используется для однодвигательных асинхронных приводов с повышенными требованиями к динамике даже на низких скоростях с высокой точностью регулирования:выравнивающих механизмов, крановых двигателей с точным позиционированием. Тахогенератор постоянного тока в этом случае не подходит по требованиям точности, поэтому следует использовать, например, инкрементальный датчик;
в) Векторное управление моментом с датчиком скорости. В случае если необходимо поддержать постоянный момент на валу двигателя, например привода моталок, система приводов ведущий – ведомый, системы регулирования натяжения.
При выборе между векторным управлением скоростью без датчика скорости или с датчиком скорости необходимо рассмотреть следующие факторы. Датчик скорости необходим если
- необходима наивысшая точность регулирования скорости;
- необходимо удовлетворить повышенным требованиям к динамике;
- требуется точное управление моментом при скорости меньше 10% от номинальной скорости двигателя.
Информация о фактических значениях и пространственном расположении векторов переменных АД может быть получена как прямым измерением с использованием соответствующих датчиков, так и косвенно на основе математической модели АД. Конфигурация и сложность такой модели определяется техническими требованиями привода. В целом системы с косвенным управлением координатами электропривода имеют более низкие статические и динамические характеристики, чем системы с прямым векторным управлением, из-за нестабильности и сложной взаимосвязи параметров АД. При сложности вычислительных операций и алгоритмов управления электроприводом преимущество косвенно управляемых систем заключается в простоте технических решений и, следовательно, в практической надежности.
Исходя из вышеизложенного, система векторного управления выбирается на основе микроконтроллера с датчиком скорости и косвенного управления координатами, реализуемого программно, где информация о векторах магнитного потока АД получается косвенно на основе математических моделей. При этом базовой является структура управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора и модульного принципа построения системы управления.
На рисунке 9 представлена функциональная схема системы управления электроприводом серии Sinamics S120 с отрицательной обратной связью по реальной скорости АД. Система имеет два основных канала управления - угловой скоростью w и модулем потокосцепления ротора cY2c АД, а также два подчиненных им внутренних контура регулирования составляющих тока статора I1xи I1у в осях х и у ортогональной системы координат, вращающейся с синхронной скоростью w0эл магнитного поля двигателя.
Развернутая функциональная схема системы управления электроприводом серии Sinamics S120 с отрицательной обратной связью по реальной скорости АД представлена ниже.
Рисунок 9 – Функциональная схема векторной системы управления с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора АД
5.1 Расчет параметров выбранного приводного двигателя
Индуктивность рассеяния статорной обмотки двигателя:
где – индуктивное сопротивление рассеяния фазы статора;
– номинальная электрическая угловая частота тока статора;
– номинальная частота напряжения питания двигателя;
Полная индуктивность обмотки статора:
где:
Индуктивность рассеяния роторной обмотки двигателя:
где – индуктивное сопротивление рассеяния фазы ротора.
Полная индуктивность обмотки ротора:
Коэффициент электромагнитной связи ротора:
Коэффициент электромагнитной связи статора:
Электромагнитная постоянная времени статорной цепи:
Электромагнитная постоянная времени роторной цепи:
5.2 Составление структурной схемы
Принцип векторного управления асинхронным двигателем основан на преобразовании координат двигателя (напряжения, тока, магнитного потока и т.д.), которые измеряются в неподвижном положении относительно вращающейся системы координат x, y. В результате этого преобразования выбираются компоненты соответствующих обобщенных векторов во вращающейся системе координат, которые имеют постоянные значения. Их управление позволяет раздельно управлять скоростью и переключением потока асинхронного двигателя.
Использование условий, которые компенсируют основные нелинейности асинхронного двигателя в системе управления как элемента САУ, позволяет математически описать динамические состояния АД с помощью векторной системы управления, соответствующей математическим элементам описания таких режимов для двигателя постоянного тока с двузонным регулированием скорости. Это позволяет применять принципы управления ведомым устройством к асинхронному приводу.
В системе координат x, y, связанной с вектором потокосцепления ротора, электромагнитный момент АД определяется:
, (73)
где - количество пар полюсов асинхронного двигателя;
- коэффициент электромагнитной связи ротора;
- вектор потокосцепления ротора, Вб;
- составляющая тока статора на оси y, А.
Таким образом, из выражения (73) следует, что путем стабилизации потокосцепления ротора, управление электромагнитным моментом сводится к управлению составляющей тока , как управление двигателем постоянного тока с неизменным током возбуждения.
Вектор обобщенного потокосцепления ротора определяется:
, (74)
где - взаимная индуктивность обмоток статора и ротора, Гн;
- постоянная времени контура ротора, с.
Из выражения следует, что стабилизация или регулирование потокосцепления ротора может быть достигнута путем стабилизации или управления проекцией тока.
На основе системы дифференциальных уравнений, описывающих электромагнитные процессы асинхронного двигателя и структурной схемы асинхронного двигателя как объекта управления, структурная схема системы векторного управления представлена в виде модуля потокосцепления ротора и угловой скоростью ротора. Структурная схема системы автоматического регулирования с косвенной ориентацией по вектору потокосцепления ротора представлена на рисунке 10.
Потокосцепление ротора не зависит напрямую от составляющей . Канал регулирования потокосцепления содержит два апериодических звена с передаточными функциями:
и , (75)
Следовательно, была построена двухконтурная система подчиненного регулирования с внутренним контуром управления по току статора и с внешней, по модулю потокосцепления ротора.
Канал управления скоростью содержит два контура регулирования: внутренний - по току статора, внешний - по угловой скорости ротора.
В схеме СУЭП сформированы два канала регулирования, параметры регуляторов которых рассчитываются так:
Передаточная функция примет вид:
, (76)