ЧАСТОТНОЕ УПРАВЛЕНИЕ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ

Прямое управление моментом (DTC)

Развитие средств вычислительной техники и силовой электроники в послед­ние десятилетия привело к тому, что появились новые возможности управления АД. В дополнение к модульному и трансвекторному способам был разработан и с середины 90-х годов реализован в серийных изделиях фирмы АВВ способ так называемого прямого управления моментом (DTC - direct torque control).

В основу работы системы DTC положено уравнение электромагнитного момента АД

3 кхк2, | 3 кхк2

ж Vi х i|/21 = - iffl • у 2ffl sin 3

L <3Lm L <3Lm

где 0 - пространствен­ный угол между векто­рами потокосцеплений статора \fx и ротора |/2.

Если модули векторов ki|=viffl и уц2=у2т поддерживать постоян­ными, то величиной мо­мента можно управлять, изменяя угол 0 .

При питании АД от инвертора напряжения в зависимости от состоя­ния ключей возможно формирование восьми пространственных век­торов н(0) К и{7) (рис.

2.30 а), называемых ба­зовыми. Причем, векторы u[V> и ии 1 являются нулевыми и соответствуют корот­кому замыканию обмоток статора чётными или нечётными ключами.

Из уравнения статора АД в неподвижной системе координат можно опреде­лить связь между векторами напряжения и потокосцепления В АД электромагнитная постоянная времени ротора Т2 в 1,5К 2,5 раза больше постоянной времени статора Тх. Поэтому, если длительность межкомму - тационного интервала At = Тх < Т2, то при качественном анализе можно считать, что потокосцепление ротора \/2 после коммутации ключей инвертора остается практически постоянным, а изменяется только |/г. Следовательно, выбор базово­го вектора, формируемого инвертором, определяет не только изменение модуля потокосцепления статора, но и угла между векторами \jx и \j2 , т. е. приращение

электромагнитного момента Ат : Да. На примере состояния векторов, показан­ного на рис. 2.30, можно проследить влияние этого выбора.

Пусть В некоторый момент времени векторы V|/j и |/2 находятся в положе­нии рис. 2.30 а) и угол между ними равен 0. Если теперь замкнуть статор нако­ротко, формируя один из нулевых базовых векторов и{0) или и{1), то Д<£> = Д^ = 0 |/| = i|/10; 0 = const; т= const, т. е. векторы потокосцеплений

статора и ротора сохранят свои значения и электромагнитный момент не изме­нится. Выбор одного из двух нулевых векторов производится из условия мини­мального числа коммутаций ключей при переходе к новому состоянию. В случае формирования базового вектора и^ (рис. 2.30 б) модуль потокосцепления ста­тора и угол 0 увеличатся, вызывая соответствующее увеличение момента. Фор­мирование базового вектора и^ , строго говоря, однозначно не определяет при­ращения модуля и момента. Для малых углов &10 между векторами и'1'* и |/10 приращение модуля будет отрицательным, а момента - положительным (рис.

2.30 г). При некотором граничном значении &10, определяемом модулями векто­ров |/10 и д£> приращение модуля потокосцепления будет нулевым (рис. 2.30 д), а при больших значениях - положительным (рис. 2.30 е).

Формирование базовых векторов и^ и и^ , будет приводить к уменьшению 0, т. е. момента, и к уменьшению или увеличению модуля потокосцепления |)х соответственно. Первый и четвертый базовые векторы обычно для управления не используются, т. к. знак приращения момента при формировании этих векторов зависит от знака угла между ними и начальным вектором ц/10. На рисунке 2.30 в) показаны два

состояния, соответствующие формированию базового вектора и^ при разных знаках угла &10. При S10 > 0 приращение угла и момента < 0: Ат < 0, а при

О10 < 0 - Ла > 0: Ат > 0 .

Рассмотренное нами влияние выбора базового вектора на потокосцепление статора и момент АД справедливо только в том случае, если угол между векто­рами и® и |/]0 не превышает 30°. В противном случае знак приращения модуля \jx при формировании векторов и® и будет противоположным. Для исклю­чения этой неоднозначности при выборе плоскость базовых векторов разделяют на секторы ошибок dК d6 (рис. 2.30 а), в пределах которых знак приращения ||jx | сохраняется.

Очевидно, что в случае расположения начального вектора ц/10 в другом сек­торе базовых векторов, изменения модуля и момента будут соответствовать рас­смотренным вариантам, если в них в качестве и® принять базовый вектор, огра­ничивающий начало сектора, а остальные векторы отсчитывать от него в том же порядке.

Алгоритм работы системы DTC строится следующим образом. Вначале ка­ким-либо образом определяются вектор потокосцепления статора ijx и электро­магнитный момент АД т. Затем модуль вектора и момент сравниваются с за-

I I* *

данными значениями \у1 и т, после чего с помощью компараторов, называе­мых релейными регуляторами, формируются логические сигналы ошибки d и dm.

Знак сигнала ошибки соответствует знаку требуемого приращения величи­ны. На основании этих сигналов и зная положение вектора потокосцепления на плоскости базовых векторов можно выбрать такую комбинацию состояний клю­чей инвертора, при которой будет сформирован базовый вектор напряжения ми­нимизирующий отклонение от заданных значений. Таким образом, в результате работы системы модуль потокосцепления статора и электромагнитный момент АД будут постоянно находиться в зоне допустимого отклонения от заданного значения, определяемого величиной гистерезиса соответствующего регулятора. Выбор базового вектора минимизирующего ошибку регулируемых величин в за­висимости от сектора, в котором в данный момент находится вектор \jx, можно производить, например, с помощью заранее составленной таблицы.

Таблица формирования базовых векторов

Функциональная схема одной из реализаций системы DTC приведена на рис. 2.31. Она имеет два канала управления скоростью вращения со и модулем пото­косцепления статора | vj/j f.

На входе канала управления скоростью установлен задатчик интенсивности (ЗИ) ограничивающий ускорение при разгоне и снижении скорости. Ограниче­ние ускорений необходимо для уменьшения нагрузок на автономный инвертор напряжения (АНН). При разгоне ЗИ ограничивает ток АПН, а при замедлении - рассеяние или возврат энергии в источник. Как и в системе трансвекторного управления для исключения значительного перерегулирования на выходе ЗИ це­лесообразно установить апериодический фильтр первого порядка (Ф). На выходе ПИ регулятора скорости (PC) формируется сигнал задания момента т , ограни­ченный нелинейным звеном насыщения.

Идентификации потокосцеплений статора и ротора производится адаптив­ным наблюдателем (НП), в котором используется информация о текущих значе­ниях токов и напряжении статора. Фазные токи ila, ilb преобразуются (3-2 на рис.

2.31) в ортогональные проекции {ла: Лр} = У/аР). Вектор напряжения статора ц(сф)

Сигналы задания момента т и модуля потокосцепления статора | \tx |* срав­ниваются с текущими оценками т и | yj/j |. После чего, с помощью релейных ре­гуляторов РМ и РП с гистерезисной характеристикой формируются логические сигналы ошибок этих величин. Величина гистерезиса характеристик регуляторов определяет допустимое отклонение от заданного значения, а также частоту ком­мутации ключей АИН. Поэтому если требуется управление частотой коммута­ции при изменении частоты вращения магнитного поля или ее ограничение, то используют регуляторы момента и потока с управляемым гистерезисом.

Сигналы ошибок и текущего угла потокосцепления статора ф поступают

на вход селектора вектора напряжения (СВН), который осуществляет управление ключами АИН в соответствии, например, с приведенной выше таблицей.

Из выражений (2.24) следует, что основной задачей, от решения которой за­висит работоспособность системы, является идентификация потокосцепления статора іїх, т. к. эта величина используется во всех последующих вычислениях. Она определяется интегрированием, а эта операция в принципе приводит к нако­плению ошибки. В данном случае источником появления ошибки является не­точность определения активного сопротивления статора гх и его изменение под

влиянием нагрева в процессе работы АД. Ошибка определения гх более чем 10% приводит к потере работоспособности системы DTC. Поэтому в таких устройст­вах используют режим предварительной идентификации параметров двигателя и алгоритмы адаптации в процессе работы. Сопротивление ротора г2 также изме­няется, но чувствительность системы к ошибке его идентификации невелика и сказывается только на точности оценки частоты вращения в приводе без датчика скорости.

Предварительная идентификация параметров АД производится при пуске. Для этого используется режим возбуждения магнитного потока, при котором на­пряжение на двух фазах статора модулируется переключением векторов и(к), и(0) так, чтобы среднее значение тока I не превышало допустимое. Тогда по сред­ними значениям можно определить гх с погрешностью не более 1% как

ti = Ucv! Icr

Для определения полной индуктивности статора Ц также используют ре­жим предварительного возбуждения постоянным током. При этом АД сначала намагничивается током близким к номинальному значению, а затем система пе-

і і*

реводится в режим поддержания заданного потокосцепления | \fx . Так как до этого сопротивление /, уже было определено и ошибка интегрирования за время теста не успевает накопиться, то

AHv.I'/V

Идентификация г2 выполняется также в режиме намагничивания на основе линейной аппроксимации кривой намагничивания ротора:

Г2 = ~4*20 /(^пЛср) ’

где |/20 - значение потокосцепления ротора в момент перехода в режим поддер­жания потокосцепления; tm - время намагничивания с ограничением тока; /2ср - среднее значение составляющей тока ротора за время tm.

Погрешность идентификации индуктивностей и сопротивления ротора обычно не превышает 5%.

Системы DTC позволяют обеспечить

• отработку ступенчатого задания на номинальный момент за 1-2 мс;

• астатическое регулирование момента на низких частотах вращения, вклю­чая нулевую скорость;

ошибку поддержания скорости вращения до 10% без использования датчи­ка скорости и до 0,01% с датчиком.