Система электропривода

АЛГОРИТМ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ ЧАСТОТНО-УПРАВЛЯЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Основой любого DTC-алгоритма является таблица переключений силовых электронных ключей автономного инвертора. В нее заранее вне­сены те положения результирующего вектора напряжения автономного инвертора, которые он должен принимать на фазовой плоскости при той или иной совокупности управляющих воздействий. От того, насколько удачно сформирована таблица переключений, в существенной мере за­висит качество работы системы в целом. Эта таблица, как и все осталь­ные функциональные блоки в системах DTC, реализуется микропроцес­сорными средствами. Тем не менее, электронная таблица, как и любая другая таблица, включает в себя строки и столбцы. Строками в таблице переключений выступают выходные сигналы регуляторов системы регу­лирования. Столбцами таблицы переключений являются номера фазо­вых секторов, на которые условно разбита фазовая плоскость рис. 1.14. В большинстве зарубежных публикаций этот блок называется “switching table”. Иногда его называют также “vector selection table” или “optimum pu­lse selector”.

Функциональная задача таблицы переключений, как ключевого блока системы DTC, состоит в следующем. Результатом обработки по­ступающей на входы таблицы переключений текущей информации о со­стоянии электропривода является оптимальный результирующий вектор выходного напряжения автономного инвертора. Под оптимальным здесь понимается такое новое положение этого вектора в пространстве, кото­рое приводит к желаемому изменению контролируемых параметров си­стемы. Контролируемыми параметрами в системах DTC являются ам­плитуда вектора потокосцепления статора и величина электромагнитного момента асинхронного двигателя. На выходе таблицы получаются ком­мутационные функции, которые поступают непосредственно на драйве­ры силовых электронных модулей. То есть с помощью таблицы переклю­чений на каждом интервале квантования по времени выбирается та или иная комбинация включенных силовых электронных модулей. Причем эта комбинация никак не зависит от предыдущего состояния автономного ин­вертора, а диктуется только информацией о текущих значениях контро­лируемых параметров. Поскольку таблица переключений сама по себе является дискретным функциональным блоком, то и исходная информа­ция на ее входы должна поступать в дискретном виде.

Для формирования строк таблицы переключений используется соответствующий блок, входами которого являются дискретные сигналы с выходов релейных регуляторов потокосцепления статора и электромаг­нитного момента двигателя.

Для формирования столбцов таблицы переключений использует­ся информация о том, в каком фазовом секторе в данный момент вре­мени находится результирующий вектор потокосцепления статора. Таким образом, опосредовано, контролируется вращающееся магнитное поле электрической машины. Для трехфазных систем количество столбцов в таблице переключений всегда равно шести.

Наблюдаемыми входными сигналами в системах прямого управ­ления моментом являются фазные токи асинхронного двигателя, фазные выходные напряжения автономного инвертора, а также - частота враще­ния ротора двигателя. В ряде случаев измеряется постоянное напряжение на входе автономного инвертора (выпрямленное напряжение в звене по­стоянного тока преобразователя частоты). Это напряжение, будучи умно­женным на переключательную функцию с выхода таблицы переключений, дает достаточно точную информацию о фазных напряжениях, приложен­ных к статорной обмотке асинхронного двигателя. В бездатчиковых си­стемах DTC вращающийся датчик частоты вращения ротора отсутствует. В таких системах информация о частоте вращения ротора двигателя при­надлежит к числу вычисляемых координат системы. Следует отметить, что укоренившийся в литературе, как отечественной, так и зарубежной, термин “бездатчиковый” (“sensorless”) относится только к вращающемуся датчику частоты вращения. Датчики напряжения и тока в системах DTC присутствуют обязательно. К другим вычисляемым координатам в систе­мах прямого управления моментом относятся потокосцепление статора и электромагнитный момент асинхронного двигателя.

Определение ненаблюдаемых координат электропривода в систе­мах DTC осуществляется в блоке вычисления потока и момента. В зару­бежных публикациях этот блок называется “flux and torque calculation” или “flux and torque observer”. Иногда этот блок называют адаптивной моделью асинхронного двигателя (“motor model”). Независимо от названия, в бло­ке вычисления потока и момента осуществляются следующие операции. С помощью известного математического описания асинхронной машины [22] осуществляется вычисление составляющих потокосцепления стато­ра двигателя в неподвижной системе координат (а - (3). Эти вычисления выполняются на основании измеренных и преобразованных в систему ко­ординат (а - (3) значений фазных токов и напряжений асинхронного двига­теля. Далее с помощью известных уже составляющих потокосцепления и измеренных составляющих тока статора определяется электромагнитный момент двигателя. Кроме того, находится также модуль (амплитуда) век­тора потокосцепления статора двигателя. При наличии в системе враща­ющегося датчика частоты вращения ротора двигателя, этих вычислений оказывается достаточно. В бездатчиковых вариантах построения систем DTC к ним добавляются следующие. По известным составляющим тока и потокосцепления статора двигателя помимо электромагнитного момента с помощью уравнений электромагнитной связи [17] вычисляются также составляющие потокосцепления ротора. Далее по уравнениям электро­магнитного равновесия роторной цепи двигателя определяются частота вращения поля статора и модуль жесткости механической характеристи­ки двигателя, а по ним уже - частота вращения ротора двигателя. Поми­мо этого информация о потокосцеплении ротора двигателя в некоторых схемах DTC используется для придания электромеханической системе новых свойств.

Информация с выхода вычислителя потока и момента поступает на входы блока регуляторов и блока определителя фазового сектора, в которых и формируются исходные данные для таблицы переключений.

В блоке определителя фазового сектора вычисляется номер фа­зового сектора, в котором в данный момент времени находится резуль­тирующий вектор потокосцепления статора. В зарубежных публикациях этот блок называется “flux sector estimator” или “flux angle calculation”. Ча­сто блок определителя фазового сектора объединяют с вычислителем потока и момента. Поскольку вычислительные операции, выполняемые в блоке определителя фазового сектора, являются продолжением опе­раций, выполняемых в блоке вычисления потока и момента, такое объ­единение оправдано. А учитывая тот факт, что все вычислительные опе­рации в реальных системах DTC выполняются микропроцессором, даже целесообразно. Однако, при исследовании процессов в системах прямо­го управления моментом с помощью математических моделей гораздо удобнее и полезнее выделить определитель фазового сектора в отдель­ный функциональный блок.

Входом блока определителя фазового сектора являются вычис­ленные значения составляющих потокосцепления статора в осях (а - (3) и модуля потокосцепления. Дальнейшие операции представляют собой тригонометрические преобразования для отыскания номера того фазо­вого сектора, в котором находится вектор потокосцепления статора. Сле­дует отметить, что определитель фазового сектора является неотъемле­мым функциональным блоком для любой системы прямого управления моментом, независимо от того, выделен он в самостоятельный блок, или нет. Выходом этого блока, по сути дела, является информация о враща­ющемся магнитном поле двигателя. Но, если результирующий вектор выходного напряжения в системе DTC изменяет свое положение в про­странстве дискретно, то пространственное положение результирующего вектора потокосцепления статора изменяется во времени непрерывно. Фиксация немгновенного положения в пространстве вектора потокос­цепления, как это делается в классических системах векторного управ­ления, а фазовых секторов, в которых этот вектор находится в каждый момент времени, позволяет согласовать дискретную и непрерывную ча­сти системы управления преобразователем частоты. В отличие от тра­диционных систем векторного управления система прямого управления моментом не содержит в явном виде преобразователей координат. Эта задача в системах DTC решается косвенно и именно в блоке определения фазового сектора.

На рис. 1.15 показано положение вектора потокосцепления стато­ра Ws на фазовой плоскости и его проекции на оси аир. Фазовая пло­скость разбита на шесть секторов, пронумерованных от N1 до N6 против часовой стрелки (по направлению вращения вектора потокосцепления статора ws). За один оборот вектора он последовательно перемеща­ется из сектора N1 в сектор N2, N3, N4, N5, N6 и возвращается опять в сектор N1. Угол между направлением вектора потокосцепления стато­ра Ws и осью а при этом изменяется от 0 до 2л.

На рис. 1.15 прописной буквой обозначен вектор потокосце­пления статора двигателя, а строчной буквой |/s - мгновенное значение угла поворота вектора потокосцепления статора относительно оси а не­подвижной системы координат. Очевидно, что величина угла |/s дает ис­черпывающую информацию о принадлежности вектора потокосцепления статора Ws тому или иному сектору на фазовой плоскости. Поэтому этот угол и является исходной информацией для определителя фазового сек­тора.

В общем случае вычисление номера фазового сектора может быть выполнено в соответствии со следующими неравенствами:

Однако, вести вычисления с помощью угла Ws достаточно сложно, так как любые операции с иррациональными числами ведут к возникно­вению накапливающейся ошибки. Поэтому на практике для определения номера фазового сектора используется не сам угол а его тригономе­трические функции. Как правило - это sr№s и cos'J'g. Но известны систе­мы, в которых используются функции tgY,, и ctg(/s [21].

Номер фазового сектора, в котом в каждый момент времени на­ходится вектор потокосцепления статора, как было указано выше, опре­деляет столбцы таблицы переключений. Для формирования строк этой таблицы используется блок регуляторов системы DTC.

Блок регуляторов в системах прямого управления моментом де­лится на две части - дискретную и непрерывную. Дискретная часть вклю­чает в себя релейные регуляторы гистерезисного типа. В зарубежных публикациях эти регуляторы называются “hysteresis flux comparator” и “hy­steresis torque comparator”. Следует отметить, что здесь и далее термин “гистерезис” используется в обобщенном смысле слова для обозначения нелинейности данного типа и не имеет ничего общего с физическим яв­лением гистерезиса. На входе первого регулятора - регулятора потокос­цепления статора, суммируются постоянный сигнал, пропорциональный номинальному значению амплитуды вектора потокосцепления статора, и сигнал обратной связи по этому параметру, поступающий из блока вычисления потока и момента. Этот регулятор в большинстве случаев представляет собой двухпозиционное реле с гистерезисной петлей, но без зоны нечувствительности. На входе второго регулятора - регулятора электромагнитного момента двигателя, суммируются сигнал с выхода ли­нейного регулятора скорости, являющийся заданием момента, и сигнал обратной связи по электромагнитному моменту. Этот регулятор, как пра­вило, представляет собой трехпозиционное реле с гистерезисной петлей и с зоной нечувствительности.

Выходные сигналы релейных регуляторов представляют собой ступенчатые функции с единичной амплитудой. Эти сигналы преобразу­ются в дискретные сигналы, формирующие строки таблицы переключе­ний. Обычно это преобразование происходит непосредственно в блоке, формирующем таблицу переключений. Однако, при математическом моделировании систем DTC этот преобразователь также целесообраз­но выделить в самостоятельный функциональный блок для облегчения варьирования возможными комбинациями выходной характеристики ре­лейных регуляторов. Очевидно, что в простейшем случае минимальное количество строк в таблице переключений - четыре. При этом оба ре­лейных регулятора должны представлять собой двухпозиционные реле. Наиболее часто встречается таблица переключений, состоящая из шести строк. Этому варианту соответствует двухпозиционное реле в регулято­ре потокосцепления и трехпозиционное реле - в регуляторе момента. В более сложных алгоритмах используются таблицы переключений, состо­ящие из девяти строк, когда оба релейных регулятора - трехпозиционные. Возможны и иные конфигурации релейных регуляторов, но они исполь­зуются редко.

В некоторых публикациях [5] системы DTC идентифицируются как скалярные системы управления электроприводом переменного тока, ко­торым присущи свойства векторных систем. В каждом из шести секторов (рис. 1.15) неподвижной системы координат (а - (3) существует определен­ный набор векторов напряжения для всех возможных комбинаций тре­буемых знаков изменения модуля потокосцепления и электромагнитного момента. В результате, несмотря на то, что векторные преобразования в системе DTC в явном виде отсутствуют, а используются только скалярные регуляторы, вращение вектора потокосцепления статора обеспечивается с требуемой частотой при поддержании модуля вектора потокосцепления на заданном уровне.