ВЕКТОРНОЕ УПРАВЛЕНИЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ СИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ

АННОТАЦИЯ

В настоящей статье рассмотрены способы регулирования синхронных электроприводов, в частности регулирование скорости синхронного двигателя при векторном управлении, решения задач обеспечения необходимых свойств в отношении момента и скорости электропривода.  В статье дан сравнительный анализ кривых модели синхронного электропривода на основе инвертора напряжения с широтно-импульсным модулятором (ШИМ), как с датчиком положения, так и  без датчика положения ротора. Автоматическое регулирование синхронного электропривода успешно осуществляется в системе векторного управления, предпочтительной системой координат для управления являются оси ротора d,q, но возможно также использование системы ориентированной по полю.

ABSTRACT

This article discusses ways to control synchronous electric drives, in particular, regulation of the speed of a synchronous motor with vector control, solving problems of providing the necessary properties in relation to the torque and speed of the electric drive. The article gives a comparative analysis of the curves of the model of a synchronous electric drive based on a voltage inverter with a pulse-width modulator (PWM), both with a position sensor and without a rotor position sensor. Automatic control of a synchronous electric drive is successfully carried out in a vector control system, the preferred coordinate system for control is the rotor axes d, q, but it is also possible to use a field-oriented system.

Ключевые слова: Синхронный двигатель, регулируемый синхронный электропривод, векторное управление, трёхмерный объект, регулятор, преобразователь поворота вектора, обратная связь, датчик положения, потокосцепление, автоматическое регулирование.

Keywords: Synchronous motor, adjustable synchronous electric drive, vector control, three-dimensional object, controller, vector rotation converter, feedback, position sensor, flux linkage, automatic control.

Синхронные двигатели в основном применяются в нерегулируемых электроприводах, для них практически непригодно регулирование скорости в разомкнутой системе. В реальных случаях для регулирования синхронных электроприводов используется векторное управление.

Основной задачей регулируемого электропривода является обеспечение необходимых свойств в отношении момента и скорости. Двигатель переменного тока как объект регулирования имеет многомерный вход. В асинхронном двигателе вход двухмерный, то есть компоненты входов это напряжения статора U_c1 и U_c , в нём при векторном управлении кроме момента, поддерживается на заданном уровне магнитный поток ротора ψ_р. Синхронный двигатель с электромагнитным возбуждением – трёхмерный объект, у него дополнительным входом является напряжение возбуждения U_в. Здесь имеется возможность выбрать две дополнительные регулируемые переменные, кроме момента [1].

Рассмотрим случай, когда в качестве переменных выбраны основной магнитный поток ψ_δ и намагничивающая составляющая тока статора i_sρ , которые должны поддерживаться на заданном уровнях. Задания могут быть либо постоянными, либо формироваться в функции скорости, напряжения сети и т.д [2].

На рис.1 показана функциональная схема векторного управления синхронного электропривода, в нём входными величинами являются основной поток ψ_δ.ref, намагничивающая составляющая тока статора  i_sρ.ref, момент M_ref . В функции этих величин формируются задания токов статора i_sd.ref, i_sq.ref  и тока возбуждения i_f.ref.

Формирования заданий осуществляется RF элементом с помощью уравнений и параметров двигателя. Токи статора преобразователем поворота вектора преобразуются в координаты статора α и β. Преобразователь поворота управляется сигналами обратной связи cosγ , sinγ от датчика положения ротора. Образовавшиеся задания тока статора i_sα.ref, i_sβ.ref  и тока возбуждения i_f.ref поступают на входы соответствующих регуляторов CR_α , CR_β , CR_f . Эти же регуляторы поступают сигналы сигналы обратной связи. На выходах регуляторов формируются управляющие сигналы   u_cU , u_cV , u_cW  для преобразователя частоты ПЧ. Управляющий сигнал для возбудителя u_cf  формируется регулятором тока возбуждения [3].

Рисунок 1. Функциональная схема векторного управления синхронного электропривода

Система управления поддерживает регулируемые переменные на заданных уровнях. Задания ψ_δ.ref, i_sρ.ref  формируются в функции задания момента M_ref  и скорости v_ref  для оптимизации режимов работы электропривода или приблизить к оптимальным режимам. В оптимальных режимах поток при холостом ходе должен снижаться до нуля, это практически невозможно. Для быстрого изменения потока требуется очень большая кратность максимального напряжения возбуждения, что нереально. Размагниченный двигатель не может принять нагрузку, поэтому магнитный поток необходимо ограничивать снизу. В связи с этим в высокодинамичном синхронном электроприводе с высоким темпом изменения момента поток нужно регулировать в функции скорости [4].

Ещё одна особенность оптимальных режимов регулируемого синхронного двигателя – положительная подмагничивающая составляющая тока статора. Переход к подмагничивающему току статора снижает ток возбуждения примерно в 1,3 ÷ 1,5 раз. При этом несколько снижаются суммарные потери в синхронном двигателе, а потери в обмотке возбуждения уменьшаются вдвое. Необходимо отметить, что режимы с отстающим током статора могут быть поддерживаться с использованием преобразователя частоты (LCI) с зависимым инвертором тока. Коммутация тиристоров в инверторе тока ПЧ возможно только при опережающем токе статора.

В синхронных электроприводах, которые не должны продолжительно обеспечивать момент при очень малых скоростях, обходятся без датчика положения ротора. В таких системах управления измеряется вектор потокосцеплений статора и применяются следующие способы:

• Измеренные векторы токов и потокосцеплений статора вводятся в элемент, содержащий математическую модель синхронного двигателя, который формирует информацию о положении осей d,q;
• Из векторов токов и потокосцеплений статора формируют вектор основного потока и используют для заданий токов координаты ρ, управление будет с ориентацией по полю и дополнительно формируется задание тока возбуждения.

Задача управления без датчика положения ротора для синхронного двигателя сложнее, основная трудность – трогание с места и прохождение зоны малых скоростей. В синхронном двигателе этот процесс сопровождается значительными колебаниями, так как СД является более колебательным элементом электропривода чем АД [5]. На рис.2 показаны кривые модели синхронного электропривода на основе инвертора напряжения с широтно-импульсным модулятором (ШИМ), без датчика положения ротора. На рисунке показаны кривые следующих переменных:

• потокосцепления статора ψ_Fs ;
• реактивная составляющая тока статора i_Fsx ;
• электромагнитный момент M_F;
• задание скорости v_ref ;
• скорость v;
• сигнал обратной связи по скорости v_FMJ.

Рисунок 2. Пример процессов модели синхронного электропривода без датчика положения

На первой стадии, при t < 0,25c создаётся магнитный поле, увеличиваются ток возбуждения и потокосцепление статора, ток статора равен нулю. Вектор потокосцеплений в этом случае направлен по продольной оси. Следящая система измерителя положения стремится совместить направление своей внутренней оси d_FM  c направлением измеренного вектора. Во время работы электропривода сигнал обратной связи по скорости следует за фактической скоростью так, как и должен следовать выходной сигнал фильтра. Постоянная времени измерителя в данном случае Т_FM = 0,01с.

На основе выше сказанных можно сделать следующее заключение:

• Синхронный двигатель более сложный объект управления и как трёхмерный он предоставляет дополнительные возможности в отношении энергетических режимов;
• Автоматическое регулирование синхронного электропривода успешно осуществляется в системе векторного управления. Предпочтительной системой координат для управления являются оси ротора d,q, но возможно также использование системы ориентированной по полю.
• Для синхронного двигателя регулирование без датчика положения ротора сложная задача, но она решаемая.

Список литературы:

1. А.М.Вейнгер “Регулируемые электроприводы переменного тока” М.2009.
2. В.В.Москаленко “Системы автоматизированного управления электропривода” М.2004.
3. Г.Б.Онищенко “Электрический привод” М.2006.
4. Karimjonov D.D. Study of characteristics of three-phase electromagnetic current transducers for filter-compensation devices of asynchronous motor reactive power, International Journal of Innovations in Engineering, Research and Technology, January 2023, Published by Novateur Publication, M.S. India.
5. Siddikov I.Kh., Makhsudov M.T., Karimjonov D.D. 2022 Research of static characteristics of three-phase current sensors for control and monitoring of asynchronous motor filter-compensation devices, New intelligence technology: Past, Present and Future 213-216 Turin Polytechnic University in Tashkent.