Система электропривода

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Системы прямого управления моментом при постоянных сигналах задания потокосцепления статора и частоты вращения двигателя могут работать только в квазиустановившихся режимах, поскольку релейные гистерезисные регуляторы остаются в автоколебательном режиме. Рас­четы проводились при номинальном статическом моменте. Задание ча­стоты вращения двигателя составляло 50% и 100% номинального значе­ния. Сигналы с выходов релейных гистерезисных регуляторов двигателя при этом имеют вид, показанный на рис. 3.4.

а) ОДзи ~ Мс = Мном

Выход релейного гистерезисного регулятора потокосцепления статора dy. o.e.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

П пи. ;LT1 TLT

Выход релейного гистерезисного регулятора адектромагншного момента dM, o,c.

.Щ-------------------------------

2

3

4

5

.. і_

6

7

-- &

. ■ 9

10 *.

®з»д — Юном і Мс-М„

Выход репейного гистерезисного регулятора потокосцегщення статора diy, о. е.

ЗЛЕ!

------------ г............ « ' t................... —г.............

JUUHinJimrULf^

niUlOJTJLOrL

irm

Выход релейного гистерезисного регулятора электромагнитного момента dM, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис.3.4. Выходные сигналы релейных регуляторов в азиустановившемся режиме работы системы □ТС при соуст= 0,5 а)ном (а) и при (оуст = соном (б).

Результаты моделирования показали, что частота следования им­пульсов с выхода релейного гистерезисного регулятора потокосцепления статора изменяется пропорционально сигналу задания частоты враще­ния двигателя. Частота же следования импульсов с выхода релейного ги­стерезисного регулятора электромагнитного момента, напротив, умень­шается с увеличением установившегося значения частоты вращения двигателя. Однако при этом возрастает скважность работы релейного регулятора. Это объясняется тем, что при расчетах момент сопротивле­ния на валу двигателя был принят неизменным. При постоянном моменте сопротивления трехпозиционный регулятор электромагнитного момента работает в верхнем положении. Выходной сигнал этого регулятора из­меняется только в пределах (0 ...+1). Картина меняется при изменении направления вращения двигателя.

Сопоставление графиков, представленных на рис. 3.4,6 и рис. 3.5 показывает, что характер работы релейного гистерезисного регулятора потокосцепления статора от направления вращения двигателя в квазиу- становившемся режиме практически не зависит, а трехпозиционный ре­лейный гистерезисный регулятор электромагнитного момента работает в пределах (-1 ...0). При этом последовательность импульсов, поступаю­щих на вход таблицы переключений с определителя фазового сектора, изменяется на обратную.

В результате обработки информации, поступающей с релейных гистерезисных регуляторов и с определителя фазового сектора, на вы­ходе таблицы переключений образуются прямоугольные ступенчатые сигналы с единичной амплитудой, которые соответствуют требуемому в каждый момент времени пространственному расположению результиру­ющего вектора выходного напряжения преобразователя частоты.

При тех же условиях, что и при рассмотрении работы блока регу­ляторов системы DTC, выходные сигналы блока, реализующего таблицу переключений, в квазиустановившемся режиме работы имеют вид, пред­ставленный на рис. 3.6.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис. 3.6. Выход таблицы переключений, определяющий пространственное положение

результирующего вектора напряжения преобразователя частоты в квазиустановившемся режиме работы системы DTC при ш = 0,5 со (а) и при со = со (б).

Дальнейшие расчеты показывают последовательное преобразо­вание сигналов с выхода таблицы переключений в последовательность управляющих импульсов силовыми электронными ключами преобразо­вателя частоты в системе DTC. На рис. 3.7 показаны коммутационные функции, образующиеся при изменении выходных сигналов релейных регуляторов в соответствии с рис. 3.4. Формирование коммутационных функций осуществляется в соответствии с векторными диаграммами на­пряжений, соответствующих каждому сектору, на которые условно раз­бита фазовая плоскость (рис.1.14). Эти преобразования выполняются с помощью следующей системы векторных уравнений:

= [(и, + и2 + u6)- (ti3 + и, +и 4 ‘ *в = 1*2 + и3 + и4)- (й, + U5 + йД (3.7)

йс = [(й4 + й5 + й6)-(й1 + йг + й3|

| а) tO зад ~ ’> Мt - М ном [

Коммутационная функция фазы А

,51--------- !----------- !--------- !----------- !-----------

,51____________________ L____________________ l_____________ , і------------------------------------------------------------------------------------- 1---------------------------------------------------- —

Коммутационная футца фазы В,5|-------- 1------------- 1 1 1

0™“^^

,51______ і________ j________ і----------- 1----------

Коммутационная функция фазы С

,51-------- !----- - -- 1:------- —т---------- !----------

0

,51_____________________ і____________________ І______________________ і____________________ J*___________________

І б)

Коммутационная функция фазы А

,51-------- !----------- Г----------- 1---------- Г

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис. 3.7. Трехфазные коммутационные функции на выходе та­блицы переключений в квазиустановившемся режиме работы системы DTC при шуст = 0,5 ш„ом (а) и при ш>ст = и>к0„ (б).

Приведенные на рис. 3.7 коммутационные функции представля­ют собой управляющие воздействия, которые используются в реальных системах DTC для управления силовыми электронными ключами. Как видно из рис 3.7, частота заполнения полуволн выходного напряжения преобразователя частоты с возрастанием выходной частоты снижается. Это обстоятельство ведет к изменению формы фазных токов в статорных обмотках асинхронного двигателя.

В математических моделях эти функции преобразуются в ортого­нальную двухфазную систему координат, неподвижную в пространстве (систему координат а - (3). Для этого в моделях предусмотрен, как было указано выше, формирователь выходных напряжений. В реальных систе­мах это преобразование выполняется в блоке вычисления ненаблюдае­мых координат для получения переключательных функций Usa* и Us(3*. Эти же функции в масштабе представляют собой входные напряжения для асинхронного двигателя в математической модели системы DTC. Они имеют вид, показанный на рис.3.8. РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис.3.8. Переключательные функции в квазиустановившемся режиме работы системы DTC при со = 0,5 со (а) и при со = со (б).

уст ’ ном ' > “ уст ном /

Подавая эти напряжения на вход математической модели асин­хронного двигателя (рис.3.1.) можно рассчитать все электромагнитные и электромеханические процессы в системе DTC. Установившиеся значе­ния фазных токов и напряжений асинхронной машины с в система DTC приведены на рис 3.9.

Фазное напряжение їсинхронного двигателя Usct, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Фазный ток асинхронного двигателя lsa, о. е.

0

1 . .. ... 5

___ ■ _JL-_____ _

10 ■

____J____________ ______________

15

___ —_j_________ ___

20

_ _____

25 j

б) Сй з*ц-(Оном; Mc-Mt

Фазное напряжение асинхронно-* дви-а-ьти Usa, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Фазный ток асинхронного двигателя lsa, о. е.

Рис.3.9. Установившиеся значения фазных токов и напряжений асинхронной машины в системе DTC.

Сигналы на выходе формирователя выходных напряжений систе­мы DTC, естественно, не в полной мере соответствуют выходным напря­жениям преобразователя частоты в реальных системах. Математические модели строятся в предположении, что силовая часть преобразователя частоты состоит из идеальных силовых электронных ключей. В рассма­триваемых моделях не учитываются реальные электромагнитные про­цессы в IGBT-транзисторных модулях, которые являются на сегодняшний день основным элементом в силовой преобразовательной технике. Та­кое допущение, безусловно, вносит некоторую погрешность в результаты моделирования. Однако, для качественной оценки электромагнитных иэлектромеханических процессов, протекающих в системах электропри­вода с системами DTC-управления, такое допущение оправдано [19].

Процессы в электроприводе с прямым управлением моментом имеют квазиустановившийся характер, поскольку гистерезисные релей­ные регуляторы потокосцепления статора и электромагнитного момента двигателя в установившемся режиме работы электропривода остаются в автоколебательном режиме. Это вызывает высокочастотные колебания электромагнитного момента, тока и потокосцепления статора двигателя в установившихся режимах работы. Так как частота этих колебаний вы­сока, на частоту вращения двигателя они влияния не оказывают. На рис. 3.10 приведены квазиустановившиеся кривые изменения электромагнит­ного момента, тока и потокосцепления статора двигателя.

___ 1_____ I____________ I_____ I______ і_____ 1_____ J______ |___

Квозиустянові ївшийся ток статора двигателя ls уС1- о с

•» I :

^*0*5

-ІОН'

Квазиусалошівшсссм потокосцсмлепнсстатора двигателя 4gуст, о.е.

Рис. 3.10. Квазиустановившиеся значения электромагнитного момента, тока и потокосцепления статора асинхронной машины в системе DTC.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Амплитуда и частота квазиустановившихся колебаний опреде­ляются настроечными параметрами релейных регуляторов - величиной гистерезисного допуска и зоны нечувствительности. Тем не менее, об­щая тенденция такова. При снижении установившейся частоты вращения

частота квазиустановившихся колебаний электромагнитного момента и тока статора двигателя возрастает, а амплитуда этих колебаний снижа­ется. Последнее не относится к характеру изменения потокосцепления статора, амплитуда колебаний которого мало зависит от установившего­ся значения частоты вращения двигателя, а определяется, главным об­разом, величиной гистерезисного допуска соответствующего релейного регулятора.

Следует отметить, что, не смотря на кажущееся сходство кривых фазных напряжений и токов в системе DTC с системами, в которых ис­пользуется широтно-импульсная модуляция выходного напряжения авто­номного инвертора, принцип формирования этих кривых в системах DTC качественно отличается от того, что имеет место в ШИМ - инверторах. В системах с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения алгоритм модуляции задается извне. Система регулирования никак не воздействует на процесс модуляции. В системах DTC характер измене­ния кривой выходного напряжения определяется исключительно функци­онированием таблицы переключений, то есть является внутренним свой­ством системы регулирования.

РАСЧЕТ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В СИСТЕМАХ ПРЯМОГО УПРАВЛЕНИЯ МОМЕНТОМ

Расчет переходных процессов в системах DTC выполнен в соот­ветствии с функциональной схемой рис. 3.1. При расчетах во внешнем контуре регулирования скорости были использованы регуляторы П - типа и ПИ - типа. Использование того или иного типа регулятора во внешнем контуре регулирования при анализе установившихся режимов не имеет значения. При анализе переходных процессов выбор регулятора суще­ственен.

Расчет проведен в системе относительных единиц. На графики выведены кривые изменения частоты вращения ротора двигателя со*, электромагнитного момента двигателя Мэ*, амплитудного значения тока статора двигателя is*, амплитудного значения потокосцепления статора двигателя W* и фазного напряжения на выходе преобразователя частоты

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рассмотрены следующие режимы работы частотно-управляемого электропривода с системой прямого управления моментом:

- пуск двигателя из неподвижного состояния до номинальной частоты вращения (сог* = 1 о. е.);

- торможение двигателя от номинальной частоты вращения (ш* = 1 о. е.) до полной остановки;

- реверс двигателя от номинальной частоты вращения в направ­лении “вперед” (сог* = 1 о. е.) до номинальной частоты вращения в направ­лении “назад” (сог* = -1 о. е.).

- наброс двукратной нагрузки от Мс* = 1 о. е. до Мс* = 2 о. е.;

- сброс нагрузки до 10% от Мс* = 1 о. е. до Мс* = 0,1 о. е

На рис.3.11 приведены пусковые характеристики электропривода при пуске от нуля до номинальной частоты вращения.

а) Система с П-регулятором скорости

б) Система с ПИ-регулятром скорости

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Частота вращемія ротора двигателя ©Ї, о. е.

1.5|-------------------------

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Элооромапюпный момент двигателя М|, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Амгшгтудноезначение тока статора двигателя ls, о. е. 6

Амплитудное значение потокосцепления статора двигателя НК/, о. е.

Фазное значение наїфяжения на выходе преобразователя частоты и8ф, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис. 3.11. Пуск асинхронного двигателя от нуля до номинальной частоты вращения асинхронного двигателя в системе DTC.

Сопоставление графиков, приведенных на рис. 3.11,а и 3.11,6 показывает, что в системе с П - регулятором присутствует статическая ошибка, не превышающая 5% заданной частоты вращения. В системе с ПИ - регулятором статическая ошибка равна нулю. Ограничение мак­симального значения электромагнитного момента двигателя от типа регулятора скорости не зависит, а определяется только настроечными параметрами релейного гистерезисного регулятора момента. В данном примере ограничение электромагнитного момента было установлено на уровне 4Мэном. Характер изменения амплитудных значений тока и по­токосцепления статора от выбранного типа регулятора скорости зависитмало. В то же время характер изменения фазного напряжения явно за­висит от выбора регулятора скорости.

Торможение в частотно-управляемом электроприводе, независи­мо от принятой системы регулирования, осуществляется либо электроди­намическим способом - при наличии в цепи постоянного тока неуправляе­мого выпрямителя, либо рекуперативным способом - при наличии в цепи постоянного тока управляемого, так называемого, активного выпрямите­ля.

На рис.3.12, показан режим торможения асинхронного двигателя при частотном управлении с системой DTC от установившейся скорости сиг * = 1 до полной остановки cur * =0.

[ а) Сист^<зТп-рег>'ляторо?,< скорости *Т~~ ~ ^■| Система с ПИ-регулятром скорости j

Частота вращения ротора двигателя СО,, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Электрона гомтиый момент двигателя MS, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Алястлудное значение тока статора двигателя Ц, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис.3.12. Торможение асинхронного двигателя от номинальной частоты до полной остановки в системе DTC.

НОМ м ном

Характер переходных процессов при торможении несущественно зависит от выбранного типа регулятора скорости. При стремлении зада­ющего сигнала к нулю в ноль обращаются по завершении переходного процесса все основные переменные. Совершенно иной характер носят переходные процессы при торможении в системе с ПИ - регулятором при работе электропривода с активным моментом на валу. В этом случае
основные переменные в нуль не обращаются. При неподвижном состо­янии ротора система DTC продолжает поддерживать потокосцепление статора на номинальном уровне. Взаимодействие потокосцепления с то­ком статора позволяет создать необходимый электромагнитный момент, удерживающий ротор двигателя в неподвижном состоянии. Тормозная характеристика электропривода при наличии активного момента сопро­тивления на валу двигателя приведена на рис.3.13.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Рис.3.13. Тормозная характеристика электропривода с DTC - управлением при наличии активного статического момента на валу двигателя.

б) Система с ГМ-регулятром скорости

На рис. 3.14 приведены характеристики реверса электропривода от номинальной частоты вращения в направлении “вперед” (со* = 1 о. е.) до номинальной частоты вращения в направлении “назад” (сог* = -1 о. е.).

а) Система с П-рсгулятором скорости

1,5

1

0.5

О

-0,5

-1

-U

4

г

о

■4

-6

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Эдеетромагилный момент я mtm М> о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Амишудаое значение тока ста

пи....

і :

Амгс&пудное значедае гктжосцеилешя статора двнгаггои ЧУ, о. е.

Частота вращения ротора двигателя <ВГ, о. е.

Фазное значение напряжения на выходе преобразователя часто tt I ф о.<

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

200 250

Рис.3.14. Реверс асинхронного двигателя от номинальной ча­стоты в направлении “вперед” до номинальной частоты в направлении “назад” в системе DTC.

Как было сказано выше, характер переходных процессов при ре­версе электродвигателя в системе с П - регулятором скорости и в систе­ме с ПИ - регулятором скорости имеет мало различий. За исключением статической ошибки регулирования в системе с П - регулятором скорости - рис.3.14,а, которая отсутствует в системе с ПИ - регулятором скорости, в остальном переходные процессы весьма схожи. В момент изменения на­правления частоты вращения двигателя в кривой изменения амплитуды потокосцепления статора наступает кратковременный провал, который достаточно быстро устраняется.

Рассмотренные переходные процессы в системе прямого управле­ния моментом представляют собой реакцию системы DTC на изменение

управляющего воздействия. Помимо этого представляет интерес также реакция системы DTC на изменение возмущающего воздействия.

6) Систеш с ПИ-регулятром скорости

а) Система с П-регулятором скорости

Электромагнитный момент двигателя М$, о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Частота вращения ротора двигателя (Ог. о. е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

Амплитудное значение тока статора денгатои lg, о. е.

l,5i—і------------------------------------ !—

Фазное значение напряжения на выходе цгеобрюовягои частоты Us<fr, о е.

РАСЧЕТ КВАЗИУСТАНОВИВШИХСЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ СИСТЕМЫ DTC

О Го 3& $5 Іо So rto rto Ш

70 90 110 ISO 150

Рис. 3.15. Наброс и сброс нагрузки в асинхронном электроприводе при номинальной частоте вращения в системе DTC.

Оценка реакции системы прямого управления моментом на 100% наброс нагрузки и на сброс нагрузки до 10% номинальной показала, что отработка возмущающих воздействий происходит с достаточно высоким быстродействием. Отклонения скорости от установившегося значений не велики. В системе с П - регулятором скорости статическая ошибка регу­лирования присутствует, но не превышает 5% установившегося значения частоты вращения двигателя. В системе с ПИ - регулятором скорости ста­тическая ошибка отсутствует.

Таким образом, результаты анализа переходных процессов в си­стеме DTC показали, что система работоспособна во всех типовых для электроприводов общепромышленного назначения режимах и обладает высокими показателями качества переходных процессов, как с точки зре­ния быстродействия, так и с точки зрения плавности регулирования.

Система электропривода

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И РАСЧЕТА ПРИ РАССМОТРЕ­НИИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИСТЕМОЙ DTC

Для проверки соответствия математической модели реальной системе в динамических режимах работы электропривода были сняты экспериментально и рассчитаны с помощью математической модели ха­рактеристики изменения частоты вращения асинхронного двигателя в следующих режимах …

СОПОСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА И РАСЧЕТА ПРИ РАССМОТРЕНИИ СТАТИЧЕСКИХ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЭЛЕКТРОПРИВОДА С СИСТЕМОЙ DTC

При рассмотрении статических режимов рассматривались кривые изменения фазных напряжений и токов двигателя. В качестве примера на рис. 4.4 показаны экспериментальные характеристики работы электро­привода при номинальной частоте вращения двигателя и при …

СОСТАВ И ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА

Для оценки адекватности рассмотренных выше математических моделей было выполнено физическое моделирование системы с пря­мым управлением моментом. За основу физической модели был принят статический преобразователь частоты серии ACS 600, разработанный фирмой …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.